白光及紫外光辐照下甲氨碘化铅基钙钛矿太阳能电池降解机制差异

本工作实验对比了可见光以及紫外光辐照下甲氨碘化铅(CH₃NH₃PbI₃即MAPbI₃)基钙钛矿太阳能电池器件性能及微结构演变特征差异. 结果表明可见光辐照下钙钛矿太阳能电池器件中MAPbI₃层发生降解的同时, 伴随着Au元素从金属电极一侧向MAPbI₃和电子传输层SnO₂的界面处迁移现象. 但相较于紫外光, 可见光辐照下器件中Au元素的迁移速率慢30倍左右. 这是由于器件电子传输层SnO₂具有较低的价带顶位置(–8.4 eV), 它吸收紫外光激发出强氧化性的空穴h⁺, 氧化碘离子I^–生成I原子. 而I原子会对金属电极层产生较大的破坏作用, 促进Au⁺离子的形成. 因此可见光辐照下, 尽管器件开路电压V_oc一直保持较高的数值, 但是Au元素的迁移以及钙钛矿层的分解, 会引起短路电流密度J_sc的快速降低. 本文为钙钛矿太阳能电池光照不稳定性的机理解释, 提供了全新的理论依据.     

基于有机/无机杂化钙钛矿有序结构的异质结及其光伏性能的研究

研究了一种新型的有机/无机杂化钙钛矿材料(3-BrC₃H₆NH₃)₂CuBr₄薄膜的聚集态形貌和良好的微观有序性特征, 霍尔迁移率测试结果表明该材料为p型半导体, 空穴迁移率为0.0025 cm²•V^－1•s^－1. 利用其在紫外-可见光谱范围内与C₆₀薄膜具有良好的光吸收互补性, 制备并研究了(3-BrC₃H₆NH₃)₂CuBr₄/C₆₀层状异质结结构中的暗态传输和光伏性能. 对不同退火温度下杂化钙钛矿薄膜的聚集态特性和器件性能之间的联系进行了探讨, 结果表明在低温退火条件下, 由于钙钛矿结构材料中有机组分排列更加有序, 器件显示更好的性能.     

少铅钙钛矿CH3NH3SrxPb(1-x)I3的合成及其在全固态薄膜太阳能电池中的应用

近年来, 有机-无机杂化铅卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)得到了迅猛发展, 其最高光电转换效率已经达到19.3%. 该类型太阳能电池使用的钙钛矿型吸光材料为含Pb的有机-无机杂化铅卤钙钛矿, 从长远来看,Pb的毒性将制约其大规模应用. 本文从减少吸光材料中Pb的含量出发, 尝试用Sr 部分取代Pb制备一系列少铅钙钛矿CH₃NH₃Sr_xPb_(1-x)I₃, 并将其应用于钙钛矿太阳能电池进行光电性能的研究. 研究结果表明, 相比于全Pb 钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃)材料, Sr 取代量为30% (x=0.3)时, 所形成的CH₃NH₃Sr_0.3Pb_0.7I₃光谱吸收大范围增强,但基于此材料制备的电池器件性能明显下降.     

界面钝化策略:提高钙钛矿太阳能电池的稳定性

近年来,新兴起的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池突飞猛进,在短短十年里其光电转化效率从3.8%迅速发展到目前25.2%的认证效率,被视为最具有应用潜力的新型高效率太阳能电池之一。虽然钙钛矿太阳能电池具有很高的光电转换效率已与多晶硅薄膜电池相媲美,但是电池的长期稳定性仍是阻碍其商业化的一大挑战。钙钛矿表面和晶界存在大量的缺陷,界面钝化来提高钙钛矿太阳能电池的稳定性是非常重要且有效的策略。二维钙钛矿材料是有机胺层与无机层交替的层状钙钛矿,具有体积较大的有机铵阳离子,与传统的三维钙钛矿材料相比对于环境的稳定性较好,并且结构灵活可调,在三维钙钛矿表面修饰二维钙钛矿层钝化缺陷,在提高钙钛矿太阳能电池效率的同时又保证了稳定性,另外,合适的钝化剂分子也能够非常有效地钝化缺陷。本文总结了钙钛矿太阳能电池的不稳定因素,归纳了钙钛矿太阳能电池界面钝化方面的研究进展,指出了二维钙钛矿材料发展的巨大潜力以及寻找合适钝化剂分子的原则,期望能够为获得高性能的钙钛矿太阳能电池进而实现商业化提供有益的指导。     

CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池中通过氧气诱导Spiro-OMeTAD快速氧化

Spiro-OMeTAD是钙钛矿型太阳能电池中应用最广泛的空穴传输材料,它本身的空穴传输率很低,需要氧化之后才能满足高效率太阳能电池器件的要求。然而,Spiro-OMeTAD在空气中的氧化时间较长,同时空气中的水分会造成器件效率的下降以及器件质量不稳定等不良后果。基于此,我们通过一步法制备CsPbIBr₂无机钙钛矿太阳能电池,并将旋涂了Spiro-OMeTAD层的器件放在纯氧气中氧化,避免因水分导致的钙钛矿层分解。实验结果表明,氧气氧化后的器件最高效率为7.19%,高于空气中氧化的器件达到的最高效率6.29%,并且氧气氧化可以将Spiro-OMeTAD的氧化时间从18小时缩短到5小时。我们采用一系列电化学表征方法探讨了不同氧化条件下电池器件的性能差异.结果显示,纯氧气氧化Spiro-OMeTAD可以有效减低载流子复合,提高电荷传输。此外,我们采集了多个样本统计分析,发现采用氧气氧化的器件平均效率更高,器件质量更稳定,具有更好的可重复性。这种快速稳定的氧化方法为钙钛矿型太阳能电池的商业化开发提供了有效的思路。     

双硫腙后处理诱导的钙钛矿膜二次结晶和钝化

有机-无机杂化钙钛矿较低的缺陷形成能和表面的悬挂键会导致其薄膜中产生铅缺陷。这些深能级缺陷会直接引起载流子的非辐射复合,导致有机-无机杂化钙钛矿光伏器件的界面接触和载流子传输效率变差,最终降低了器件的综合性能。采用双硫腙作为钙钛矿薄膜表面的二次结晶诱导剂和铅缺陷钝化剂,通过对钙钛矿膜进行后处理的方法实现对钙钛矿薄膜的形貌调控和缺陷钝化。进一步的研究结果表明,双硫腙通过与铅离子配位的方式有效地钝化了铅缺陷,并诱导了表面钙钛矿晶体的二次结晶,改善了薄膜质量,进而提高了器件的综合性能。     

可溶液加工的有机-无机杂化钙钛矿:超越光伏应用的“梦幻”材料

有机-无机杂化钙钛矿材料是可通过溶液工艺低温制备得到的直接带隙半导体晶体薄膜.在众多可溶液加工的半导体材料中,有机-无机杂化钙钛矿薄膜是为数不多的低缺陷密度、双极子传输性能优异的晶体薄膜,同时兼具宽光谱吸收和长载流子扩散距离等特性,是平面异质结太阳能电池的理想选择.另外,作为低缺陷密度的直接带隙半导体晶体材料,杂化钙钛矿薄膜具有优异的发光特性.其发光波长可通过能带工程(在分子水平上改变其组分)进行调节,因此有望在发光二极管和激光等光电器件中得到新应用.总结了钙钛矿材料的优异特性和目前应用研究的进展,并对其未来发展做了展望.     

钙钛矿太阳能电池:器件设计和I-V滞回现象

基于染料敏化太阳能电池发展起来的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池经过不到5年的快速发展, 光电转换效率从最初的3.8%提高到了经过认证的17.9%. 但是常用结构的钙钛矿太阳能电池在性能测试过程中的电流-电压(I-V)曲线会随着测试器件扫描方向的不同而明显不同. 该现象被称为I-V滞回现象. 进一步研究发现I-V曲线还与扫描速度、起始测试的偏压值和光照历史明显相关. 本工作结合不同的器件构造, 就可能造成这种I-V滞回现象的不同原因进行了总结和分析, 并对如何获得可靠的光电转换效率的测试方法进行了评述.     

低成本富勒烯衍生物电子传输层在钙钛矿太阳能电池的应用（英文）

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)近几年吸引了众多的关注。目前,在反式平板异质结钙钛矿太阳能电池中,最普遍使用的电子传输层材料是富勒烯衍生物PCBM,但是由于其价格昂贵,将会影响钙钛矿太阳能电池的最终产业化。本文开发出一种新的低成本富勒烯衍生物N-甲基-2-戊基[60]富勒烯吡咯烷(NMPFP)来取代PCBM,用于反式钙钛矿太阳能电池的电子传输层。和PCBM电子传输层相比,NMPFP具有更快的电子传输速率。用NMPFP制作的钙钛矿太阳能电池几乎没有迟滞现象,取得了13.83%的光电转换效率,和PCBM电池性能相当。而且,由于NMPFP更强的疏水性,其电池的稳定性优于PCBM电池。本研究表明NMPFP是一种非常有前景的电子传输材料,用于反式平板钙钛矿太阳能电池,可以有效的取代PCBM。     

甲胺气体处理修复钙钛矿薄膜缺陷

正有机无机杂化钙钛矿由于其独特的光、电、磁性能以及制备工艺简单、成本低等特点,一直备受关注,特别是自2009年第一次将其应用于太阳能电池以来,钙钛矿太阳能电池的能量转换效率由3.8%迅速上升到目前的20.1%[1],并且钙钛矿在二极管和激光器件等领域也受到了广泛关注.在这些器件中,钙钛矿活性材料是其核心部分,钙钛矿膜的好坏是影响器件性能的关键因素,因此,对钙钛矿成膜性的研究具有     

A Multifunctional Liquid Crystal as Hole Transport Layer Additive Enhances Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells

Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (Li-TFSI) has been identified as the most used and effective p-dopant for hole transport layer (HTL) in perovskite solar cells (PSCs). However, the migration and agglomeration of Li-TFSI in HTL negatively impact PSCs performance and stability. Herein, we report an effective strategy for adding a liquid crystal organic small molecule (LQ) into Li-TFSI doped (2,2′,7,7′-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9′- spirobifluorene (Spiro-OMeTAD) HTL. It was found that the introduction of LQ into Spiro-OMeTAD HTL can efficiently enhance the charge carrier extraction and transportation in device, which can strongly retard the charge carrier recombination in device. Consequently, the PSCs efficiency is significantly enhanced to 24.42 % (Spiro-OMeTAD+LQ) from 21.03 % (Spiro-OMeTAD). The chemical coordination between LQ and Li-TFSI can strongly confine Li⁺ ions migration and agglomeration of Li-TFSI, thus, achieving the enhanced device stability. Only a 9 % efficiency degradation is observed for un-encapsulated device prepared with Spiro-OMeTAD and LQ after 1700 h under air environment, while the efficiency drops by 30 % for the reference device. This work provides an effective strategy for improving the efficiency and stability of PSCs, and gives some important insights for understanding intrinsic hot carriers dynamics for perovskite-based optoelectronic devices.     

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。     

Solution-processed CuOx as an efficient hole-extraction layer for inverted planar heterojunction perovskite solar cells

A solution-processed CuO_x film has been successfully integrated as the hole-transporting layer (HTL) for inverted planar heterojunction perovskite solar cells (PVSCs). The CuO_x layer is fabricated by simply spin-coating a copper acetylacetonate (Cu(acac)₂) chloroform solution onto ITO glass with high transparency in the visible range. The compact and pinhole-free perovskite film with large grain domains is grown on the CuO_x film. The inverted PVSCs with the structure of ITO/CuO_x/MAPbI₃/PC₆₁BM/ZnO/Al are fabricated and show a best PCE of 17.43% under standard AM 1.5G simulated solar irradiation with a V_OC of 1.03 V, a J_SC of 22.42 mA cm^-2, and a fill factor of 0.76, which is significantly higher and more stable than that fabricated from the often used hole-transporting material PEDOT:PSS (11.98%) under the same experimental conditions. The enhanced performance is attributed to the efficient hole extraction through the CuO_x layer as well as the high-quality CH₃NH₃PbI₃ films grown on the CuO_x. Our results indicate that low-cost and solution-processed CuO_x film is a promising HTL for high performance PVSCs with better stability.     

电泳法制备的致密氧化锡薄膜及其在高稳定性钙钛矿太阳能电池中的应用

在平面型钙钛矿太阳能电池中常采用SnO₂作为电子传输层材料,相应的SnO₂薄膜常采用溶液旋涂法制备。但是由于前驱液中的纳米颗粒可能会发生部分团聚、基底和溶液难以完全避免灰尘等杂质颗粒混入,且最佳的SnO₂电子传输层的厚度通常仅有约20 nm,所以这种方法制备的电子传输层难以保证严格致密和无纳米针孔。在本工作中,我们报道了一种电泳沉积制备致密SnO₂薄膜的方法,并用其有效地提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和工况稳定性。通过电泳法,表面带负电荷的SnO₂纳米颗粒在电场的作用下沉积到氧化铟锡(ITO)阳极表面,这种方法得到的薄膜比旋涂法制备的更为致密。将其应用于n-i-p结构的钙钛矿太阳能电池中,能够使得暗电流降低并抑制载流子的非辐射复合,从而提高电池的短路电流和开路电压,进而实现更高的光电转换效率(从18.17%提高到19.52%),且能消除迟滞效应。更重要的是,长期工况稳定性测试表明基于电泳-旋涂法制备的器件在1个太阳的光照下、最大功率点处连续工作960 h后,仍然能够保持71%的初始效率;然而基于旋涂法制备的器件在工作100 h后即降低到初始效率的70%。本工作提供了一种全新的SnO₂电子传输层的制备方法,显著地提高了器件性能和工况稳定性,后续有望应用于制备大面积器件和电池模组。     

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。     

SnO_2/TiO_2纳米管复合光催化剂的性能及失活再生

基于微波水热法和微乳液法合成SnO2/TiO2纳米管复合光催化剂.通过X射线衍射(XRD)、配有能量色散X射线光谱仪(EDX)的透射电镜(TEM)和电化学手段对光催化剂进行表征.以甲苯为模型污染物,考察光催化剂在紫外光(UV)和真空远紫外光(VUV)下的性能及失活再生.结果表明,SnO2/TiO2纳米管复合光催化剂形成三元异质结(锐钛矿相TiO2(A-TiO2)/金红石相TiO2(R-TiO2)、A-TiO2/SnO2和R-TiO2/SnO2异质结),促使光生电子-空穴对的有效分离,提高光催化活性.SnO2/TiO2表现出最佳的光催化性能,UV和VUV条件下的甲苯降解率均达100%,CO2生成速率(k2)均为P25的3倍左右.但由于UV光照矿化能力不足,中间产物易在催化剂表面累积.随着UV光照时间的增加,SnO2/TiO2逐渐失活,20 h后k2由138.5 mg·m-3·h-1下降到76.1 mg·m-3·h-1.利用VUV再生失活的SnO2/TiO2,过程中产生的·OH、O2-·、O(1D)、O(3P)、O3等活性物质可氧化吸附于催化剂活性位的难降解中间产物,使催化剂得以再生,12 h后k2恢复到143.6 mg·m-3·h-1.UV和VUV的协同效应使UV降解耦合VUV再生成为一种可持续的光催化降解污染物模式.     

Mixed-phase Mesoporous TiO2 Film for High Efficiency Perovskite Solar Cells

Mesoporous scaffold structures have played great roles in halide perovskite solar cells(PSCs),due to the excellent photovoltaic performance and commercial perspective of mesoporous PSCs.Here,we reported a mixed-phase TiO2 mesoporous film as an efficient electron transport layer(ETL)for mesoporous perovskite solar cells.Due to the improved crystal phase,fihn thickness and nanopartMe size of TiO2 layer,which were controlled by varying the one-step hydrothermal reaction time and annealing time,the PSCs exhibited an outstanding short circuit photocurrent density of 25.27 mA/cm^2,and a maximum power conversion efficiency(PCE)of 19.87%.It is found that the ultra-high Jsc attributes to the excellent film quality,light capturing and excellent electron transport ability of mixed-phase TiO2 mesoporous film.The results indicate that mix-phase mesoporous metal oxide fihns could be a promising candidate for producing effective ETLs and high efficiency PSCs.     

UV-Enhanced Room Temperature Ozone Sensor Based on Hierarchical SnO2-In2O3

SnO₂-In₂O₃ hierarchical microspheres were prepared by the hydrothermal and solvothermal method. The morphology, phase crystallinity of the obtained SnO₂-In₂O₃ were measured by X-ray diffraction(XRD), scan electron microscopy(SEM), respectively. A room temperature ozone sensor based on SnO₂-In₂O₃ hierarchical microspheres was fabricated and investigated. The gas sensing properties of the sensor using SnO₂-In₂O₃ strongly depended on the proportion of SnO₂ and In₂O₃. The sensitivity and response/recovery speed were greatly enhanced by UV illumination. A gas sensing mechanism related to oxygen defect was suggested.     

TiO2薄膜光催化氧化I-的研究

采用溶胶凝胶法,在玻璃珠表面涂覆均匀透明的TiO₂薄膜并制成光催化反应器,对水溶液中I-的光催化氧化进行了研究.比较了光催化剂的活性,讨论了I^-的起始浓度、试液的酸度、光照时间与I₂产率的关系.实验结果表明:采用锐钛型TiO₂作光催化剂(3L碘化钾溶液所用催化剂量为40g),当[I^-]=0.3mol/L,[H⁺]=3.0mol/L,光照8h时,I₂的产率达到41.26%.     

钛基金属氧化物电极制备及其氨氮废水降解性能

采用热分解方法制备了4种电极钛基金属氧化物：Ti/SnO₂+Sb₂O₃、Ti/SnO₂+Sb₂O₃/SnO₂+IrO₂、Ti/SnO₂+Sb₂O₃/SnO₂+RuO₂和Ti/SnO₂+Sb₂O₃/SnO₂+CeO₂. X-射线衍射分析表明Ti/SnO₂+Sb₂O₃/SnO₂+CeO₂电极的CeO₂晶体结构完好,连续工作较长时间电极表面没有明显析氧. 使用该电极电解氧化氨氮模拟废水（降解2 h）,氨氮模拟废水从高浓度（500 mg·L^-1）降解为较低浓度（180 mg·L^-1）,降解效率可达64%,电解活性最佳.