压强对钙钛矿薄膜形貌和结晶性影响的研究

采用新型简便的方法控制钙钛矿层薄膜的结晶过程,对优化制备工艺、获得高性能器件至关重要。本文采用调节真空度的方法有效控制钙钛矿层结晶,系统地研究了压强的作用及其对晶体生长、薄膜形成及器件性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见吸收光谱、X射线衍射光谱(XRD)谱图等手段对钙钛矿层的形貌及结晶程度进行了分析表征。在此基础上,制备出器件结构为Glass/ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/Al的钙钛矿太阳能电池,考察了不同压强下的器件性能。结果表明:随压强降低,钙钛矿层结晶程度明显提高,孔洞减少,表面覆盖率提高。同时,器件的短路电流、填充因子以及光电转化效率均随压强降低而提高,器件效率由原来的10.38%提高到12.36%,提高了19%。     

钙钛矿太阳电池电子传输层与光吸收层的界面工程

钙钛矿太阳电池(PSCs)自2009年出现至今经历了光伏领域前所未有的快速发展,目前经认证的最高光电转换效率已超过23%,极具应用前景。界面工程是提升PSCs性能的有效途径之一,本文回顾了PSCs中电子传输层和钙钛矿光吸收层间界面工程的主要研究工作,根据作用效果将相关研究按照改善钙钛矿光吸收层质量、提高电子传输层与钙钛矿层间的能级匹配度和提升电池稳定性等三类进行了梳理和总结,并对电子传输层和钙钛矿光吸收层间界面工程的前景进行了展望。     

界面修饰策略在钙钛矿太阳能电池中的应用

目前钙钛矿太阳能电池的认证效率已达25.2%,被认为是下一代最有希望的薄膜太阳能电池候选者。但通过溶液加工方法制备的钙钛矿薄膜不可控的形貌与较差的结晶性是制约器件稳定性提升和大面积生产的主要原因。为了有效解决这一难题,研究者们通常在电荷传输层与钙钛矿层之间进行界面修饰。本文从界面修饰的角度出发,总结了不同界面修饰策略在钙钛矿太阳能电池中的应用,并展望了界面修饰在低成本和大面积钙钛矿太阳能电池的应用前景。     

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。     

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。     

钙钛矿光伏电池封装材料与工艺研究进展

钙钛矿太阳能电池作为第3代新概念太阳能电池,具有高光电转换效率、低成本和可柔性加工等优点,近年来发展迅速,其光电转换效率从一开始的3.8%增长到近期的25.5%,逐渐比肩硅电池,已接近商业化应用水平。目前,实现钙钛矿太阳能电池产业应用的关键环节在于电池封装,它不仅可以解决钙钛矿光伏器件稳定性问题,还可以实现电池安全、环保和延长使用寿命等要求。结合近十几年来钙钛矿光伏电池封装材料和封装工艺两方面的发展现状,文中介绍了钙钛矿电池封装领域取得的成果和存在的不足,讨论了目前现有封装技术的优缺点,以及它们适用的不同器件类型。着重在不同温度湿度条件下,比较了不同封装材料性能、封装工艺条件对钙钛矿电池效率及稳定性的影响,归纳出影响钙钛矿电池薄膜封装效果的3个关键因素： 聚合物的弹性模量、水蒸气透过率、加工温度。比较了不同聚合物薄膜封装材料适宜的加工温度、优缺点及加工成本。可以看出,随着钙钛矿光伏电池工业化需求的强烈增长和人们对其封装材料研究的不断深入,研究适合大面积生产和光伏建筑一体化的新型功能聚合物封装材料将是必然趋势。     

钙钛矿型太阳能电池制备工艺及稳定性研究进展

有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池因其简单的制备工艺,低廉的制造成本,优异的光电转换效率,成为光伏领域的研究热点。钙钛矿光吸收材料具有消光系数高、载流子迁移率高、载流子寿命长、带隙可调控等优点。短短几年内,钙钛矿型太阳能电池的效率从最初的3.8%提高到22.1%。目前,为了获得稳定高效的钙钛矿型太阳能电池,主要有以下几个研究思路：新型器件结构设计;结构功能层的材料形貌设计;结构各功能层间的界面修饰;空穴传输材料的选择;对电极的选择。本文通过文献综述,在回顾了国内外研究者对钙钛矿型太阳能电池的研究历程的基础上,介绍了钙钛矿型太阳能电池的结构和工作原理,重点总结了电子传输层和钙钛矿层的制备工艺及优化,并讨论了钙钛矿型太阳能电池的稳定性以及展望了其商业化的前景。     

钙钛矿型太阳能电池制备工艺及稳定性研究进展

有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池因其简单的制备工艺,低廉的制造成本,优异的光电转换效率,成为光伏领域的研究热点。钙钛矿光吸收材料具有消光系数高、载流子迁移率高、载流子寿命长、带隙可调控等优点。短短几年内,钙钛矿型太阳能电池的效率从最初的3.8%提高到22.1%。目前,为了获得稳定高效的钙钛矿型太阳能电池,主要有以下几个研究思路:新型器件结构设计;结构功能层的材料形貌设计;结构各功能层间的界面修饰;空穴传输材料的选择;对电极的选择。本文通过文献综述,在回顾了国内外研究者对钙钛矿型太阳能电池的研究历程的基础上,介绍了钙钛矿型太阳能电池的结构和工作原理,重点总结了电子传输层和钙钛矿层的制备工艺及优化,并讨论了钙钛矿型太阳能电池的稳定性以及展望了其商业化的前景。     

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。     

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。     

离子液体对钙钛矿太阳能电池性能的影响

利用1-乙基-3-甲基咪唑溴盐(EMIMBr)、1-己基-3-甲基咪唑溴盐(HMIMBr)、双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)以及1-乙基-3-甲基咪唑氯盐(EMICl)和双氟磺酰亚胺钾(KFSI)制备了1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(EMITFSI)、1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(HMITFSI)和1-乙基-3-甲基咪唑鎓二(氟甲磺酰基)亚胺盐(EMIFSI)3种离子液体。 用氯苯稀释的离子液体对钙钛矿活性层进行浸泡处理,探究了离子液体对钙钛矿形貌以及钙钛矿太阳能电池性能的影响。 结果表明,HMITFSI处理后太阳能电池的填充因子从0.71提高到了0.74,光电转换效率也有了一定提高,钙钛矿薄膜的表面形貌得到了改善,而EMITFSI和EMIFSI的处理反而降低了钙钛矿太阳能电池的性能,证实离子液体可以影响钙钛矿的结晶形貌。     

基于1D/0D有序复合SnO2纳米晶的钙钛矿太阳能电池

通过水热前驱体中的功能添加剂调控一维(1D)纳米棒阵列疏密度,继而在纳米棒间隙沉积零维(0D)纳米颗粒,制备1D/0D有序的复合SnO2电子传输层(ETL),并组装高效、稳定的钙钛矿太阳能电池。系统研究前驱体中NaCl添加剂以及后续纳米颗粒的沉积对复合ETL的形貌结构、光谱性能及界面电荷过程的作用规律,探讨上述作用对电池光电性能的影响机制。前驱体中NaCl的加入使棒密度变小,从而使0D纳米颗粒顺利渗透到1D纳米棒间隙中,其对钙钛矿/ETL和钙钛矿/FTO界面复合的抑制作用是造成器件开路电压和填充因子增大的原因。在经2 mL饱和NaCl水溶液改性的1D电子传输层ETL-2Cl的基础上,继续沉积0D的纳米颗粒,制备得到新型1D/0D复合电子传输层ETL-2P,后者优良的电荷复合抑制作用(复合电阻是ETL-2Cl的2.9倍)和高效的电子抽提性能(抽提速率3.03×10^7 s^-1,抽提效率91.6%)促成了电池较优的光电性能(光电效率12.15%)。     

Bulk heterojunction perovskite solar cells incorporated with solution-processed TiOx nanoparticles as the electron acceptors

In the past ten years, perovskite solar cells were rapidly developed, but the intrinsic unbalanced charge carrier diffusion lengths within perovskite materials were not fully addressed by either a planar heterojunction or meso-superstructured perovskite solar cells. In this study, we report bulk heterojunction perovskite solar cells, where perovskite materials CH₃NH₃PbI₃ is blended with solution-processed n-type TiO_x nanoparticles as the photoactive layer. Studies indicate that one-step solution-processed CH₃NH₃PbI₃:TiO_x bulk-heterojunction thin film possesses enhanced and balanced charge carrier mobilities, superior film morphology with enlarged crystal sizes, and suppressed trap-induced charge recombination. Thus, bulk heterojunction perovskite solar cells by CH₃NH₃PbI₃ mixed with 5 wt% of TiO_x, which is processed by one-step method rather than typical two-step method, show a short-circuit current density of 20.93 mA/cm², an open-circuit voltage of 0.90 V, a fill factor of 80% and with a corresponding power conversion efficiency of 14.91%, which is more than 30% enhancement as compared with that of perovskite solar cells with a planar heterojunction device structure. Moreover, bulk heterojunction perovskite solar cells possess enhanced device stability. All these results demonstrate that perovskite solar cells with a bulk heterojunction device structure are one of apparent approaches to boost device performance.     

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%)。     

Chitosan‐Assisted Crystallization and Film Forming of Perovskite Crystals through Biomineralization

Biomimetic mineralization is a powerful approach for the synthesis of advanced composite materials with hierarchical organization and controlled structure. Herein, chitosan was introduced into a perovskite precursor solution as a biopolymer additive to control the crystallization and to improve the morphology and film‐forming properties of a perovskite film by way of biomineralization. The biopolymer additive was able to control the size and morphology of the perovskite crystals and helped to form smooth films. The mechanism of chitosan‐mediated nucleation and growth of the perovskite crystals was explored. As a possible application, the chitosan–perovskite composite film was introduced into a planar heterojunction solar cell and increased power conversion efficiency relative to that observed for the pristine perovskite film was achieved. The biomimetic mineralization method proposed in this study provides an alternative way of preparing perovskite crystals with well‐controlled morphology and properties and extends the applications of perovskite crystals in photoelectronic fields, including planar‐heterojunction solar cells.