平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展

高效低成本太阳电池的研发是太阳能光伏技术大规模推广应用的关键. 近年来兴起的有机- 无机杂化钙钛矿(以下简称钙钛矿)太阳电池因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点, 引起了学术界和产业界的广泛关注, 具有广阔的发展前景. 其中平面异质结钙钛矿太阳电池因具有结构简单, 可低温制备等诸多优点, 成为目前研究的一个重要方向. 平面异质结钙钛矿太阳电池分为n-i-p型和p-i-n型两种结构. 其中钙钛矿分别与电子传输层和空穴传输层形成两个界面, 在这两个界面上实现电子和空穴的快速分离. 电子传输层和空穴传输层分别为电子和空穴提供了独立的输运通道. 平面异质结结构有利于钙钛矿太阳电池中电子和空穴的分离、传输和收集. 此外, 该结构不需要高温烧结的多孔结构氧化物骨架, 扩大了电子和空穴传输材料的选择范围. 可以根据钙钛矿材料的能带分布及载流子传输特性, 来选择能级和载流子传输速率更为匹配的传输材料. 本文对钙钛矿的材料特性, 平面异质结结构的由来及发展进行了简要的概述. 其中重点介绍了平面异质结钙钛矿太阳电池的结构特征、工作机理、钙钛矿/电荷传输层的界面特性, 以及电池性能的优化, 包括钙钛矿薄膜制备、空穴和电子传输层的优化等. 最后对钙钛矿电池的发展前景及存在问题进行了阐述, 为今后高效、稳定钙钛矿太阳电池的研究提供参考.     

载流子选择性接触:高效硅太阳电池的选择

太阳电池可看成由光子吸收层和接触层两个基本单元组成,接触层是高复合活性金属界面和光子吸收层之间的区域.为了进一步提高硅太阳电池的转换效率,关键是降低光子吸收层和接触之间的复合损失.近年来,载流子选择性接触引起了光伏界的研究兴趣,其被认为是接近硅太阳电池效率理论极限的最后的障碍之一.本文分析了三种类型的载流子选择性接触:在光子吸收层与金属界面之间引入薄的重掺杂层,即所谓的发射极或背面场;利用两种材料之间的导带或价带对齐;利用高功函数的金属氧化物与晶硅接触从而在晶硅中感应能带弯曲.基于一维太阳电池模拟软件wx AMPS,模拟了扩散同质结硅太阳电池[结构为(p~+)c-Si/(n)c-Si/(n~+)c-Si]、非晶硅薄膜硅异质结太阳电池[结构为(p~+)a-Si/(i)a-Si/(n)c-Si/(i)a-Si/(n~+)a-Si]和氧化物薄膜硅异质结太阳电池[结构为(n)MoO_x/(n)c-Si/(n)TiO_x]暗态下的能带结构和载流子浓度的空间分布,其中c-Si为晶硅;a-Si为非晶硅;(i),(n)和(p)分别表示本征、n型掺杂和p型掺杂.模拟结果表明:载流子选择性接触的核心是在接触处晶硅表面附近形成载流子浓度空间分布的不对称进而使得电导率的不对称,形成了对电子的高阻和空穴的低阻或者对空穴的高阻和电子的低阻,从而让空穴轻松通过同时阻挡电子,或者让电子轻松通过同时阻挡空穴,形成空穴选择性接触或者电子选择性接触.     

肖特基钙钛矿太阳电池结构设计与优化

有机-无机杂化钙钛矿材料有高吸收系数、低廉的制作成本以及较为简单的制备工艺,在近年来表现出良好的发展前景.本文采用wx-AMPS模拟软件对平面结构钙钛矿太阳电池和肖特基钙钛矿太阳电池进行建模仿真对比,从理论上分析无载流子传输层的肖特基钙钛矿太阳电池的优势.结果显示,器件两侧电极功函数和吸收层的能带分布是提高太阳电池效率的关键.在对电极使用Au(功函数为5.1 eV)的前提下,透明导电电极功函数为3.8 eV,可以得到肖特基钙钛矿太阳电池转换效率为17.93%.对器件模型吸收层进行优化,通过寻找合适的掺杂浓度,抑制缺陷密度,确定合适的厚度,可以获得理想的转换效率(20.01%),是平面异质结结构(理论转换效率31%)的63.84%.肖特基钙钛矿太阳电池在简单的器件结构下可以获得优异的光电性能,具有较好的应用潜力.     

P-I-N型锡铅钙钛矿太阳电池性能的限制因素及解决策略

锡铅钙钛矿太阳电池已被证明可以用于全钙钛矿叠层太阳电池中,作为窄带隙底电池进一步提高器件光电转换效率.目前, P-I-N型锡铅钙钛矿太阳电池的最高效率为21.7%,明显低于铅基钙钛矿太阳电池.本文分析了限制其性能提高的主要因素,并针对性地总结了近几年研究工作者们提出的有效解决策略,主要包括:1)通过添加富锡化合物、强还原剂或含大的有机阳离子的化合物以抑制Sn~(2+)氧化,减少锡铅钙钛矿材料p型掺杂程度,降低电池开路电压损耗; 2)通过调控组分、改变钙钛矿薄膜制备方法、溶剂工程或添加含功能性基团的化合物以延缓锡铅钙钛矿薄膜结晶生长速率,提高薄膜质量; 3)通过选用合适的电子传输层或空穴传输层,减少能级失配对载流子传输的影响或避免载流子传输层的本身不稳定性对器件的影响.最后,本文展望了锡铅钙钛矿太阳电池的未来发展,认为其不仅有望实现高效稳定的单结太阳电池,而且还可以应用于高效全钙钛矿叠层太阳电池.     

非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结肖特基势垒的调控

在纳米逻辑器件中,制造低的肖特基势垒仍然是一个巨大的挑战.本文采用密度泛函理论研究了非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结的结构稳定性和电学性质的影响.结果表明石墨烯与二硒化钼形成了稳定的范德瓦耳斯异质结,同时保留了各自的电学特性,并且形成了0.558 eV的n型肖特基势垒.此外,能带和态密度数据表明非对称氧掺杂可以调控石墨烯/二硒化钼异质结的肖特基接触类型和势垒高度.当氧掺杂在界面内和界面外时,随着掺杂浓度的增大,肖特基势垒高度都逐渐降低.特别地,当氧掺杂在界面外时, n型肖特基势垒高度可以降低到0.112 eV,提高了电子的注入效率.当氧掺杂在界面内时, n型肖特基接触转变为欧姆接触.平面平均电荷密度差分显示随着掺杂浓度的增大,界面电荷转移数量逐渐增多,导致费米能级向二硒化钼导带底移动,证实了随着氧掺杂浓度增大肖特基势垒逐渐降低,并由n型肖特基向欧姆接触的转变.研究结果将对基于石墨烯的范德瓦耳斯异质结肖特基势垒调控提供理论指导.     

双面HIT太阳电池TCO与非晶硅界面势垒的模拟优化

采用美国滨州大学研发的AMPS-1D软件,模拟了TCO与非晶硅界面势垒对TCO/a-Si:H(p+)/a-Si:H(i)/c-Si(n)/a-Si:H(i) /a-Si:H(n+)/TCO双面HIT异质结太阳电池光伏特性的影响.结果表明太阳电池的TCO/p+前接触界面势垒(对于电子)越高,越易形成欧姆接触,且电池的短波响应增强,使电池性能变好.模拟还发现,n+/TCO背接触界面势垒(对于电子)越低,电池性能越好.若背场重掺杂,在背接触势垒小于等于0.5 eV时,电池的转换效率不会受到背接触势垒的影响;若背场低掺杂,在背接触势垒很小的情况下,也能达到与重掺杂相同的转换效率.     

硅基异质结太阳电池新进展

非晶硅/晶体硅异质结太阳电池(SHJ)是在晶体硅上沉积非晶硅薄膜,它综合了晶体硅电池与薄膜电池的优势,具有结构简单、工艺温度低、钝化效果好、开路电压高、温度特性好、双面发电等优点,是高转换效率硅基太阳电池的热点方向之一。本文首先综述了近几年SHJ电池制造工艺技术的进步,包括臭氧清洗硅片、热丝化学气相沉积技术沉积非晶硅薄膜、透明导电薄膜沉积方法和材料的改进,以及新型金属化电极技术在SHJ电池中的应用所取得的进展。然后介绍了结合背面结技术、载流子选择性钝化接触技术的硅异质结电池以及薄型硅异质结太阳电池最新研究情况。进一步分析了与叉指式背接触技术相结合的硅异质结电池、与钙钛矿太阳电池技术相结合的钙钛矿/硅异质结两端叠层太阳电池的研究现状,指出硅基异质结太阳电池是迈向更高效率太阳电池的基石。     

硅异质结太阳电池的物理机制和优化设计

硅异质结太阳电池是一种由非晶硅薄膜层沉积于晶硅吸收层构成的高效低成本的光伏器件,是一种具有大面积规模化生产潜力的光伏产品.异质结界面钝化品质、发射极的掺杂浓度和厚度以及透明导电层的功函数是影响硅异质结太阳电池性能的主要因素.针对这些影响因素已经有大量的研究工作在全世界范围内展开,并且有诸多研究小组提出了器件效率限制因素背后的物理机制.洞悉物理机制可为今后优化设计高性能的器件提供准则.因此及时总结硅异质结太阳电池的物理机制和优化设计非常必要.本文主要讨论了晶硅表面钝化、发射极掺杂层和透明导电层之间的功函数失配以及由此形成的肖特基势垒;讨论了屏蔽由功函数失配引起的能带弯曲所需的特征长度,即屏蔽长度;介绍了硅异质结太阳电池优化设计的数值模拟和实践;总结了硅异质结太阳电池的研究现状和发展前景.     

稀土掺杂CdTe太阳电池背接触层ZnTe的第一性原理研究

结合CdS/CdTe太阳电池背接触层的制备要求考虑, 利用基于密度泛函理论平面波超软赝势方法和广义梯度近似, 计算了未掺杂ZnTe、稀土Y、Gd掺杂ZnTe的能带和电子态密度, 得到了不同体系下系统总能和晶格常数. 研究表明, 稀土Y和Gd掺杂后ZnTe结构的稳定性均提高, 掺杂Y使ZnTe与CdTe的晶格匹配更好. 计算表明, 掺杂可使载流子发生简并, 掺Y比掺Gd电子有效质量小, 掺Y与掺Gd的载流子浓度数量级相同. 根据计算结果分析了稀土掺杂对ZnTe背接触层的影响. 关键词： ZnTe 稀土掺杂 第一性原理 太阳电池背接触层     

钙钛矿太阳电池综述

基于有机-无机杂化钙钛矿材料(CH₃NH₃PbX₃)制备的太阳电池效率自2009年从3.8%增长到19.6%, 因其较高的光吸收系数, 较低的成本及易于制备等优势获得了广泛关注. 钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层, 还可用作电子和空穴传输层, 以此制备出不同结构的钙钛矿太阳电池: 介孔结构、介观超结构、平面结构、无HTM层结构和有机结构. 除此之外, 钙钛矿材料制备方法的多样性使其更具吸引力, 目前已有一步溶液法、两步连续沉积法、双源共蒸发法和溶液-气相沉积法. 本文主要介绍了钙钛矿太阳电池的发展历程、工作原理及钙钛矿薄膜的制备方法等. 详细阐述了电池每一层的具体作用和针对现有的钙钛矿结构各层材料的优化, 最后介绍了钙钛矿太阳电池所面临的问题和发展前景, 以期对钙钛矿太阳电池有进一步的了解, 为制备新型高效的钙钛矿太阳电池打下坚实的基础.     

高效率钙钛矿太阳电池发展中的关键问题

钙钛矿太阳电池的迅速发展为解决未来能源问题带来一线曙光. 但是, 钙钛矿太阳电池在高效率电池器件的可重现性、稳定性以及性能评估等方面还面临着很多问题, 严重制约其今后的发展. 本文综述了钙钛矿太阳电池面世以来发生的重要进展, 以及存在的几个关键性问题. 从器件基本结构和基本工作原理出发, 本文重点讨论了光吸收层的光谱和形貌等性质对器件性能和可重现性的影响, 阐明了电子传输层和空穴阻隔层的重要作用, 论述了空穴传输层的相关进展以及其对器件稳定性的影响. 通过对以上关键问题的讨论和总结, 本文对钙钛矿太阳电池未来的研究发展进行了展望.     

锡基钙钛矿太阳能电池载流子传输层的探讨

锡基钙钛矿太阳能电池可避免铅元素对环境带来的污染,近年来已成为光伏领域的研究热点.本文以SCAPS-1D太阳能电池数值模拟软件为平台,对不同电子传输层和不同空穴传输层的锡基钙钛矿太阳能电池器件的性能进行数值仿真对比,从理论上分析不同载流子传输层的锡基钙钛矿太阳能电池的性能差异.结果显示,载流子传输层与钙钛矿层的能带对齐对电池性能至关重要.电子传输层具有更高的导带或电子准费米能级以及空穴传输层具有更低的价带或空穴准费米能级时,对电池输出更大的开路电压有促进作用.另外,当电子传输层的导带高于钙钛矿层导带或钙钛矿层的价带高于空穴传输层的价带时,钙钛矿层与载流子传输层界面形成spike势垒,界面复合机制相对较弱,促使电池获得更佳的性能.当Cd0.5Zn0.5S和MASnBr3分别作为电子传输层和空穴传输层时,与其他材料相比,获得了更优的输出特性:开路电压Voc=0.94 V,短路电流密度Jsc=30.35 mA/cm^2,填充因子FF=76.65%,功率转换效率PCE=21.55%,可认为Cd0.5Zn0.5S和MASnBr3是设计锡基钙钛矿太阳能电池结构合适的载流子传输层材料.这些模拟结果有助于实验上设计并制备高性能的锡基钙钦矿太阳能电池.     

新型碳材料在钙钛矿太阳电池中的应用研究进展

新型碳材料如石墨烯及其氧化物、碳纳米管、富勒烯及石墨炔等因其优异的热学、力学、电学、光学性能成为了钙钛矿太阳电池研究的又一亮点. 本文总结了新型碳材料在钙钛矿太阳电池对电极、电子传输材料及空穴传输材料中的研究进展, 新型碳材料的引入有效地提高了钙钛矿电池的性能, 为下一步新型碳材料的应用开发以及钙钛矿电池器件的研究提供了新的思路.     

基于氧化镍背接触缓冲层碲化镉薄膜太阳电池的研究

采用电子束蒸发法制备了NiO薄膜,并对其作为碲化镉薄膜太阳电池背接触缓冲层材料进行了相关研究.NiO缓冲层的加入使得碲化镉太阳电池开路电压显著增大.通过X射线光电子能谱测试得到的NiO/CdTe界面能带图表明NiO和CdTe的能带匹配度很好.NiO是宽禁带P型半导体材料,在电池背接触处形成背场,减少了电子在背表面处的复合,从而提高电池开路电压.通过优化NiO薄膜厚度,制备得到转换效率为12.2%、开路电压为789 mV的碲化镉太阳电池.研究证实NiO是用来制备高转换效率、高稳定性碲化镉薄膜太阳电池的一种极有前景的缓冲层材料.     

Correlation of band electronic structure with efficiency in perovskite solar cells with vanadium (Ⅳ) oxide thin film buffers

Perovskite solar cells have been studied extensively in the area of perovskite solar cells because they have a comparatively free hysteresis. Through fabrication of a perovskite solar cell based on a vanadium oxide buffer, this study clarified the mechanism of electron and hole transport in the laminated layer upon irradiation with light. The power conversion efficiency (PCE) of the Vanadium (Ⅳ) oxide (VO₂) sputtering process device was approximately 13% and with the spin-coating process was 8.5%. To investigate the physicochemical origin of such PCE differences depending on the process type, comprehensive band alignment and band structure analyses of the actual cell stacks were performed using X-ray photoelectron spectroscopy depth measurements. Accordingly, it was found that the inconsistent valence band offset between the perovskite absorption layer and V₂O₅ layer as a function of the VO₂ process type caused a difference in the hole transport, resulting in the difference in the efficiency.     

Efficient design of perovskite solar cell using mixed halide and copper oxide

Solar cells based on perovskites have emerged as a transpiring technology in the field of photovoltaic. These cells exhibit high power conversion efficiency. The perovskite material is observed to have good absorption in the entire visible spectrum which can be well illustrated by the quantum efficiency curve. In this paper, theoretical analysis has been done through device simulation for designing solar cell based on mixed halide perovskite. Various parameters have efficacy on the solar cell efficiency such as defect density, layer thickness, doping concentration, band offsets, etc. The use of copper oxide as the hole transport material has been analyzed. The analysis divulges that due to its mobility of charge carriers, it can be used as an alternative to spiro-OMeTAD. With the help of simulations, reasonable materials have been employed for the optimal design of solar cell based on perovskite material. With the integration of copper oxide into the solar cell structure, the results obtained are competent enough. The simulations have shown that with the use of copper oxide as hole transport material with mixed halide perovskite as absorber, the power conversion efficiency has improved by 6%.The open circuit voltage has shown an increase of 0.09 V, short circuit current density has increased by 2.32 m A/cm~2, and improvement in fill factor is 8.75%.     

Non-peripherally octaalkyl-substituted nickel phthalocyanines used as non-dopant hole transport materials in perovskite solar cells

This report presents two non-perihperally octaalkyl-substituted nickel phthalocyanines (NiPcs), namely, NiEt₂Pc and NiPr₂Pc, for use as dopant-free hole transport materials in perovskite solar cells (PSCs). The length extension of the alkyl chains from ethyl to propyl significantly tunes the NiPcs' energy levels, thus reducing charge carrier recombination at the perovskite/hole transport layer (HTL) interface and leading to higher open-circuit voltage (V_OC) and short-circuit current density (J_SC) observed for the NiPr₂Pc-based PSC. And higher charge carrier mobility, higher thin film crystallinity, and lower surface roughness of the NiPr₂Pc HTL compared with that of the NiEt₂Pc one also lead to higher J_SC and fill factor (FF) observed for the NiPr₂Pc-based device. Consequently, the NiPr₂Pc-based PSC exhibits a higher power conversion efficiency (PCE) of 14.07% than that of the NiEt₂Pc-based device (8.63%).     

二硫化钨纳米片制备及其钙钛矿太阳能电池空穴传输层应用

开发新型无机空穴传输层材料是钙钛矿电池实现商业应用的重要挑战之一。本文开展了二硫化钨纳米片制备及其钙钛矿太阳能电池空穴传输层应用研究。采用液相超声剥离法成功制备了WS 2纳米片,并将其引入钙钛矿太阳能电池中用作空穴传输层。结果表明,当WS 2纳米片溶液浓度为1 mg/mL时,制备的WS 2纳米片空穴传输层具有较合适的厚度,并且后续在其上生长的钙钛矿活性层成膜质量高、结晶性能好,电池取得6.3%的光电转换效率。结果证实WS 2纳米片可作为新型无机空穴传输层材料用于钙钛矿太阳能电池。