溶剂工程调控钙钛矿薄膜中PbI2和PbI2(DMSO)的形成(英文)

钙钛矿太阳能电池以其高效、低成本的特点备受关注。到目前为止,钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已经超过25%,显示出良好的应用前景。钙钛矿薄膜的结晶性能是决定器件性能的关键,因此,调控钙钛矿薄膜的生长过程至关重要。本工作中,我们发现通过简单调节前驱体溶剂,即调节二甲基亚砜：1,4-丁内酯:N,N-二甲基甲酰胺(DMSO:GBL:DMF)的三种混合溶剂的比例,可实现钙钛矿薄膜中PbI₂和PbI₂(DMSO)含量的调节,从而调节电池的器件性能。此外,本工作系统研究了PbI₂和PbI₂(DMSO)的含量对器件性能的影响。结果表明,PbI₂(DMSO)的形成会导致300–425nm波长范围内电池的外量子效率(EQE)降低,从而导致器件性能下降。相反,通过在前驱体溶液中添加额外的碘化亚甲基铵(MAI),可以抑制PbI₂和PbI₂(DMSO)的形成。     

两步沉积法制备Br或Cl掺杂的有机-无机杂化钙钛矿太阳电池

采用控制前驱体浓度的两步沉积法和插入PbI₂层的DMSO分子（PbI₂（DMSO）复合体）分别与MAX（MA=CH₃NH₃,X=I,Br）或MAX（X=I,Cl）进行的分子内交换法,实现了Br或Cl的掺杂并合成了厚度为300nm左右的混合卤化物钙钛矿MAPbI_3-xBr_x和MAPbI_3-xCl_x膜。MAX前驱体溶液中含5%（摩尔分数,下同）MABr或15% MACl所生成的Br或Cl掺杂钙钛矿膜能提高钙钛矿太阳电池的光伏性能,进一步提高MABr或MACl的含量并不会明显改变掺杂量,但会形成小的白色颗粒或者针孔,这些将对电池的性能产生不利影响。前驱体溶液含5% MABr的MAPbI_3-xBr_x钙钛矿太阳电池所获得的能量转换效率（PCE）为13.2%,含15% MACl的MAPbI_3-xCl_x钙钛矿太阳电池获得了最高13.5%的PCE。     

控制碘化铅形貌两步连续刮涂法大面积制备甲脒基钙钛矿薄膜（英文）

钙钛矿太阳能电池在实现高性能光伏器件方面展现出巨大的商业化应用前景,但面临着一个最主要的挑战是开发工业化规模生产的大面积高质量钙钛矿薄膜制备工艺。在本研究中,为解决大面积印刷难题,通过两步连续刮涂法制备甲脒基钙钛矿吸光层。两步法中第一步沉积的PbI₂很容易形成致密的薄膜,这将导致后续沉积的有机胺盐无法和PbI₂充分完全反应,在钙钛矿薄膜中残留PbI₂,这会严重影响载流子的传输。为了实现理想的多孔PbI₂薄膜结构,我们通过在PbI₂前驱体溶液中引入四亚甲基亚砜(THTO)。通过形成PbI₂·THTO络合物,PbI₂的结晶过程被有效控制,易形成片状的PbI₂晶粒并沿着垂直基底方向上排列,得到了理想的纳米通道。这为后续的有机胺盐渗入提供了理想的纳米通道。最终5cm×5cm模组实现了18.65%的功率转化效率,并具有出色的存储和热稳定性。这一结果展现了两步连续刮涂法策略在制备大面积钙钛矿太阳能电池方面具备一定的优势。     

控制碘化铅形貌两步连续刮涂法大面积制备甲脒基钙钛矿薄膜

钙钛矿太阳能电池在实现高性能光伏器件方面展现出巨大的商业化应用前景,但面临着一个最主要的挑战是开发工业化规模生产的大面积高质量钙钛矿薄膜制备工艺。在本研究中,为解决大面积印刷难题,通过两步连续刮涂法制备甲脒基钙钛矿吸光层。两步法中第一步沉积的PbI₂很容易形成致密的薄膜,这将导致后续沉积的有机胺盐无法和PbI₂充分完全反应,在钙钛矿薄膜中残留PbI₂,这会严重影响载流子的传输。为了实现理想的多孔PbI₂薄膜结构,我们通过在PbI₂前驱体溶液中引入四亚甲基亚砜(THTO)。通过形成PbI₂·THTO络合物,PbI₂的结晶过程被有效控制,易形成片状的PbI₂晶粒并沿着垂直基底方向上排列,得到了理想的纳米通道。这为后续的有机胺盐渗入提供了理想的纳米通道。最终5 cm × 5 cm模组实现了18.65%的功率转化效率,并具有出色的存储和热稳定性。这一结果展现了两步连续刮涂法策略在制备大面积钙钛矿太阳能电池方面具备一定的优势。     

多功能氨基酸衍生物钝化的高性能钙钛矿太阳能电池

采用含有羧基、氨基和苯基等多官能团的氨基酸衍生物分子(Fmoc-L-异亮氨酸,Fmoc-Ile-OH)钝化钙钛矿薄膜表面缺陷。首先,该氨基酸衍生物可降低钙钛矿薄膜中PbI₂杂质含量,并提高钙钛矿薄膜的颗粒尺寸。其次,氨基酸衍生物的引入可有效改善钙钛矿薄膜的光学特性和钙钛矿/电荷传输层界面载流子输运性能。另外,经钝化处理的钙钛矿太阳能电池表现出更优的器件二极管理想因子、更低的陷阱填充极限电压和更高的载流子复合电阻,这些结果证实了Fmoc-Ile-OH可有效钝化钙钛矿薄膜表面缺陷。最后,通过工艺条件优化,制得了转化效率为21.09%的高效钙钛矿太阳能电池器件,其性能远优于对照组器件的效率(18.00%)。     

紫外光辐照下CH3NH3PbI3基钙钛矿太阳能电池失效机制

随着光伏产业的不断发展,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研发成为科学与工业界广泛关注的焦点。到目前为止,其光电转换效率已经提高到了25.2%,成为替代硅基太阳能电池的核心方案之一。然而,钙钛矿太阳能电池的稳定性较差,容易受到环境中氧气、水分、温度甚至光照的影响,这严重制约了其大规模推广与应用。大量科学研究表明,如何避免紫外辐照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的性能衰减,对于提高钙钛矿太阳能电池的光照稳定性至关重要。然而到目前为止,仍然没有系统的工作来对紫外辐照下钙钛矿太阳能电池性能以及微结构演化过程进行详细的表征与分析。本文中,我们利用聚焦离子束-扫描电子显微分析(FIB-SEM)以及球差校正透射电子显微分析(TEM)等技术,全面地研究了紫外辐照过程中有机无机杂化钙钛矿太阳能电池性能变化规律以及电池微结构演化特征。实验结果表明,紫外辐照过程中太阳能电池内部会形成0.5–0.6 V的内建电场,钙钛矿中的I^-离子在电场的驱动下向金属Au电极和空穴传输层2, 2’, 7, 7’-四[N, N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9, 9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)一侧迁移;随后,空穴传输层与金电极的界面处,碘离子与光生空穴一起与金电极发生反应,将金属态Au氧化成离子态Au⁺。而Au⁺离子则在内建电场的驱动下反向迁移穿过钙钛矿MAPbI₃层,直接被SnO₂和MAPbI₃界面处的电子还原形成金属Au纳米团簇。除此之外,紫外辐照过程中钙钛矿太阳能电池性能降低的同时,往往伴随着Spiro-OMeTAD与钙钛矿界面处物质迁移、钙钛矿薄膜内晶界展宽以及Au纳米颗粒周围MAPbI₃物相分解等现象。以上各种因素的协同作用,共同导致了紫外光照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池光电转换性能(PCE)、开路电压(V_oc)以及短路电流(J_sc)等性能参数的急剧下降。     

PbO-PbI2复合物膜转化的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜及其光电特性

有机-无机卤化物钙钛矿是一类优异的光电材料. 在过去四年内, 基于有机-无机卤化物钙钛矿的光电器件实现了超过15%的光电转换效率. 而有机-无机卤化物钙钛矿材料的可控制备是保证其在光电器件中应用的基础. 本文采用新的沉积方法在玻璃衬底表面制备了一种典型的有机-无机卤化物钙钛矿CH₃NH₃PbI₃薄膜. 其制备过程是: 采用超声辅助的连续离子吸附与反应法在玻璃衬底表面沉积PbO-PbI₂复合物膜, 之后与CH3NH3I蒸汽在110 ℃环境下反应, 将PbO-PbI₂复合物膜转化成CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜. 对CH₃NH₃PbI₃薄膜的微观结构, 结晶性及其光电性能等进行了表征. 结果表明, CH₃NH₃PbI₃薄膜呈晶态, 具有典型的钙钛矿晶体结构. 薄膜表面形貌均匀, 晶粒尺寸超过400 nm. 在可见光范围, CH₃NH₃PbI₃薄膜透过率低于10%, 能带宽度为1.58eV. 电学性能研究表明CH₃NH₃PbI₃薄膜表面电阻率高达1000 MΩ. 高表面电阻率表明CH₃NH₃PbI₃薄膜具有一定的介电性能, 其介电常数(ε_r)在100 Hz时达到155. 本研究提出了一种制备高质量CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜的新方法, 所得CH₃NH₃PbI₃薄膜可望在光、电及光电器件中得到应用.     

第一性原理研究HC(NH2)2PbI3钙钛矿(三方相VS六方相)的结构及光电特性

采用第一性原理,研究三方及六方相FAPbI₃（FA=HC（NH₂）₂⁺）钙钛矿的结构及光电特性.结果表明,FAPbI₃钙钛矿由三方到六方的形变能够扭转PbI₃骨架,改变Pb-I键合特性,进而改变其禁带宽度值.两种晶体均属于直接带隙半导体,三方相FAPbI₃的直接带隙点位于布里渊区Z（0,0,0.5）对称点,具有较为理想的约1.50 eV的禁带宽度;六方相FAPbI₃的直接带隙点位于Γ（0,0,0）对称点,具有约2.50 eV的禁带宽度.FA离子不直接参与电子跃迁过程,仅仅充当电荷供体为PbI₃骨架提供超过0.7 e的电荷.相比于六方相晶体,三方相FAPbI₃具有更小的载流子有效质量,吸收光谱发生了显著的红移,并且其吸收特性优于六方相FAPbI₃和四方相MAPbI₃（MA=CH₃NH₃⁺）钙钛矿.六方相FAPbI₃比三方相晶系更稳定,FA和PbI₃骨架之间的结合作用力强于MA和PbI₃骨架之间的作用力.     

碘化铅作为空穴传输层在P3HT:PC61BM聚合物太阳能电池中的增强效果

开发了一类新型阳极界面缓冲材料PbI₂,制备了结构为ITO/PbI₂/P3HT:PC₆₁BM/Al(氧化铟锡导电玻璃/碘化铅/聚三已基噻吩:富勒烯衍生物/铝)的器件,制备工艺包括旋涂和蒸镀,考察了PbI₂在聚合物太阳能电池原型器件ITO/P3HT:PC₆₁BM/Al中的效果。不同碘化铅浓度,退火温度,退火时间,对PbI₂薄膜的质量都会有影响。很显然,高质量的PbI₂薄膜将会带来好的光电转化效率。PbI₂薄膜的透光性,结晶性,以及表面形貌可以用来描述所成薄膜的质量好坏。对能带来最好性能的碘化铅薄膜进行了紫外-可见光谱,X射线粉末衍射(XRD),原子力显微镜(AFM),扫描电子显微镜(SEM)等表征。实验发现,太阳能电池器件的效率对PbI₂浓度比较敏感,最优化的条件为,旋涂浓度为3 mg·mL^-1,100 ℃退火30 min,其电池的开路电压(V_oc)达到0.45 V,短路电流密度(J_sc)为7.9 mA·cm^-2,填充因子(FF)为0.46,与没有界面缓冲材料的器件相比,光电转换效率(PCE)由0.85%提高到1.64%。     

SnO2表面卤化提高钙钛矿太阳能电池光伏性能

钙钛矿太阳能电池(PSCs)成为近几年来迅速发展的新型太阳能电池,其中将SnO₂纳米粒子层用作电子传输层(ETL)的钙钛矿太阳能电池器件得到了广泛的关注。SnO₂有着更低的制备温度,使其具备应用于柔性器件的潜力,但与钙钛矿层能级不匹配等问题限制着其发展。而在界面处加入钝化层,尤其是表面卤化的方法或可解决这一问题。本文综合研究了SnO₂表面卤化对钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响,选用四丁基氯化铵(TBAC)、四丁基溴化铵(TBAB)和四丁基碘化铵(TBAI)三种钝化材料对SnO₂表面进行钝化处理,并对钝化材料溶液进行了浓度梯度研究。通过材料形貌、结构和光学性能表征以及电池器件性能测试分析等方法,证明了SnO₂表面卤化可提高钙钛矿层的质量和PSCs光伏性能,并从器件内部电荷传输动力学等角度解释了器件性能改善的原因。为进一步说明其性能改善的机理,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法对材料表面性质进行了深入研究,从能量、结构、电荷密度、态密度、功函数等角度解释了表面卤化提高SnO₂/钙钛矿界面处电子传输特性的原因。实验和理论计算均表明TBAC对于SnO₂具有较好的钝化效果,并随着溶液浓度的提升钝化作用越明显。SnO₂表面卤化作用的深入研究不仅对提高电池器件性能具有实际意义,还能够帮助理解太阳能电池界面现象,为界面改性提供新的研究思路。     

贫PbI2基体的胶体量子点固体用于高效红外太阳能电池(英文)

胶体量子点(CQD)具有优异的红外光吸收能力和光谱可调特性,是用于制备高效太阳能电池最有前途的红外光电材料之一。然而,以醋酸铵(AA)为添加剂的液相配体交换会导致CQD固体中产生宽带隙PbI₂基质,其将作为电荷传输势垒,在很大程度上影响了CQD太阳能电池(CQDSC)中载流子的提取,从而影响了光伏性能。本文报道利用二甲基碘化铵(DMAI)调节CQD配体交换过程,使载流子在CQD固体中的传输势垒大幅降低。通过对CQD固体进行全面的表征和理论计算,充分揭示了DMAI和CQD之间的相互作用。结果表明,通过DMAI调节CQD配体交换过程,使CQD固体均匀堆积,提高了载流子输运性能,并且陷阱辅助复合受到显著抑制。因此,CQDSC器件中的载流子提取得到了大幅提高,能量转换效率(PCE)比用AA制备的CQDSC器件提高了17.8%。此工作为调控CQD表面化学特性提供了新的研究思路,并为降低CQD固体中载流子输运的势垒提供了可行的方法。     

微波热冲快速制备二维多孔La0.2Sr0.8CoO3钙钛矿用于高效电催化析氧反应

析氧反应(OER)被认为是电解水的关键限制步骤,已被广泛作为清洁能源方式用于解决能源和环境问题。钙钛矿氧化物(ABO₃)具有可调的电子结构、高灵活性的元素组成,能在OER中表现出良好的催化活性。然而,钙钛矿氧化物的合成通常需要经历长时间的高温,极易导致金属的聚集和影响材料的本征活性。气相微波技术可以显著缩短热处理时间,从而减少相关的碳排放。这项技术不仅解决了对碳中性过程日益增长的需求,而且还增加了对合成的控制,以避免产品的不良团聚。本文采用微波热冲法快速制备了二维(2D)多孔La_0.2Sr_0.8CoO₃钙钛矿。伴随微波过程的快速熵增可以有效地暴露La_0.2Sr_0.8CoO₃结构中丰富的活性位点。此外,高能微波冲击过程可以精准地将Sr²⁺引入到LaCoO₃的晶格中,通过增加Co的氧化态来增加氧空位量。这种锶元素取代镧引入的氧空位能极大提高催化剂的本征催化活性。对于碱性电解液中的OER应用,制备的La_0.2Sr_0.8CoO₃在10 mA∙cm⁻²下展现出了360 mV的过电位,Tafel斜率为76.6 mV∙dec⁻¹。且在经历30000秒的长时间循环测试后仍能维持初始电流密度的97%。这项研究为高活性二维钙钛矿的合成提供了一种简便、快速的策略。     

湿空气下制备稳定的CsPbI2Br钙钛矿太阳电池

无机钙钛矿太阳能电池由于具有良好的热稳定性,高吸光系数等优点发展迅速。但无机钙钛矿材料对水分极其敏感,一般在惰性环境下中进行制备,操作复杂。本文通过简单的一步旋涂工艺,在无手套箱空气湿度条件下制备CsPbI₂Br无机钙钛矿薄膜,通过介孔TiO₂厚度的优化,对钙钛矿薄膜的结晶、成膜及稳定性进行了分析,发现在较厚基底介孔层上制备的钙钛矿晶粒大、无孔隙;随着基底厚度的减小,其上所形成的CsPbI₂Br薄膜禁带宽度(E_g)增大;电化学阻抗测试表明在较厚基底介孔层上制备的CsPbI₂Br钙钛矿具有更好的载流子提取与传输能力。对不同厚度介孔层上沉积的钙钛矿薄膜稳定性进行测试,发现CsPbI₂Br钙钛矿的稳定性随着介孔层厚度的增加而提高,在空气中做放置144 h后无明显变化。在空气湿度条件下组装成器件,获得到了8.16%的最佳光电转换效率,并且对器件无任何修饰及封装的情况下,在相对湿地低于35%的空气中放置72 h后保持最初效率的73%。     

空气下光诱导有机金属卤化钙钛矿薄膜的降解机理

近几年来钙钛矿材料作为新兴光伏材料取得了巨大的发展进步,但有机无机杂化钙钛矿较差的环境稳定性限制了它的大规模应用。因此深入研究钙钛矿材料的降解机制有助于开发更稳定的钙钛矿光伏器件。本文基于透射电子显微学的微观形貌观察、晶体结构及元素成分表征,详细研究了杂化钙钛矿CH_3NH_3PbI_3薄膜在光照以及空气共同作用下的降解机理。研究发现,光诱导下CH_3NH_3PbI_3薄膜会与空气中的氧气发生交互作用,同时生成六方晶态PbI_2甚至氧化为非晶态化合物PbI_(2-2x)O_x (0.4 x 0.6),而其衰减位点主要存在于薄膜与空气接触的表面。降解过程中,由于存在着挥发性分解产物(I_2,CH_3NH_2)的大量丢失,薄膜的表面会产生许多小孔洞,继而形成一种蜂窝状的介孔衰竭通道。而这种衰竭方式主要与光照下钙钛矿中光生电子与氧气结合形成超氧根自由基(O_2~(·-))有关,该基团诱导了CH_3NH_3PbI_3向PbI_2和非晶氧化态的转变。本文揭示了空气中光照诱导钙钛矿薄膜的降解机理,这将为未来设计和优化更稳定的钙钛矿太阳能电池提供全面的实验数据与理论支持。     

氧化物钙钛矿的光催化研究进展：CO2还原、水裂解、固氮

At present, more than 80% of the world's energy demand is fulfilled by the burning of fossil fuels, which has caused the production of a large amount of greenhouse gases, leading to global warming and damage to the environment. The high consumption of fossil fuels every year causes the energy crisis to become increasingly serious. Finding a sustainable and pollution-free energy source is therefore essential. Among all forms of energy sources, solar energy is preferred because of its cleanliness and inexhaustible availability. The energy provided by one year of sunlight is more than 100 times the total energy in known fossil fuel reserves worldwide; however, the extent of solar energy currently used by mankind each year is minute; thus developments in solar energy are imperative. To address the urgent need for a renewable energy supply and to solve environmental problems, a variety of technologies in the field of photocatalysis have been developed. Photocatalytic technology has attracted significant attention because of its superior ability to convert clean solar energy into chemical fuels. Among the photocatalytic materials emerging in an endless stream, perovskite oxide, with the general formula of ABO₃, has great potential in the fields of solar cells and photocatalysis as each site can be replaced by a variety of cations. Furthermore, owing to its unique properties such as high activity, robust stability, and facile structure adjustment, perovskite oxide photocatalysts have been widely used in water decomposition, carbon dioxide reduction and conversion, and nitrogen fixation. In terms of carbon dioxide reduction, oxide perovskites can achieve precise band gap and band edge tuning owing to its long charge diffusion length and flexibility in composition. For the development and utilization of solar energy in the environmental field, perovskite oxide and its derivatives (layered perovskite oxide) are used as photocatalysts for water decomposition and environmental remediation. In terms of nitrogen fixation, the conventional Haber-Bosh process for ammonia synthesis, which has been widely used in the past, requires high temperature and high energy. Therefore, we summarize the recent advances in perovskite oxide photocatalysts for nitrogen fixation from the aspect of activating the adsorbed N₂ by weakening the N $ \equiv $N triple bond, promoting charge separation, and accelerating the charge transfer to the active sites to realize the photochemical reaction. Overall, this review article presents the structure and synthesis of perovskite oxide photocatalysis, focusing on the application of photocatalysis in water splitting, carbon dioxide reduction, and nitrogen fixation. This review concludes by presenting the current challenges and future prospects of perovskite oxide photocatalysts.      

In2O3修饰三维纳米花MoSx构建S型异质结用于高效光催化产氢

形貌控制和异质结构建是提升光催化剂性能的有效策略。本文采用In₂O₃修饰三维纳米花MoS_x并构建S型异质结,为电子的传输提供了特殊的转移途径。通过合理调控In₂O₃的负载量,MoS_x/In₂O₃的最佳产氢速率能够达到6704.2 μmol∙g⁻¹∙h⁻¹,是纯MoS_x的1.8倍。采用荧光光谱和电化学测试证实复合材料中内部电子和空穴对的分离效率得到了有效的提升,并利用紫外漫反射测试和羟基自由基实验推测了析氢机理。