提高钙钛矿太阳能电池稳定性的方法研究进展

钙钛矿太阳能电池具有制备工艺简单、制造成本低廉、载流子寿命长、光电转换效率高、能带可调等诸多优点,最近几年得到迅猛发展。目前,实验室制备的小面积钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过22%,但其稳定性仍是有待解决的问题,如果稳定性不能得到有效解决,必然会阻碍其产业化进程。本文归纳了钙钛矿电池稳定性研究的最新进展,重点讨论了提高钙钛矿太阳能电池稳定性的四种方法,最后总结了钙钛矿太阳能电池目前存在的问题并展望了其产业化的前景。     

反式钙钛矿太阳能电池研究进展

反式结构的钙钛矿太阳能电池由于其稳定性好、迟滞效应低等优点越来越受到人们的关注. 自2013年出现以来, 其光电转换效率从最初3.9%快速提升至21.5%. 然而, 反式钙钛矿太阳能电池的光电转化效率相比于传统正置结构钙钛矿太阳能电池依然存在差距, 同时其柔性及空气稳定性和大面积制备技术的开发仍是当前急需亟待解决的难题. 本文就反式钙钛矿太阳能电池载流子传输材料的选择、界面优化及柔性器件的发展等方面进行了系统的综述, 试图总结由结构和材料优化实现反式钙钛矿太阳能电池的高效率、高稳定性、大面积及柔性制备的普遍规律.     

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。     

全固态介观太阳能电池:从染料敏化到钙钛矿

介观太阳能电池(Mesoscopic Solar Cells)作为新一代太阳能电池的突出代表, 具有原材料来源丰富, 制备工艺简单, 光电转换效率高等优点, 从而具有广阔的应用前景. 本工作简要评述了全固态介观太阳能电池从染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells)发展到钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells)过程中新材料、新技术和新概念的研究进展. 1998年, Grätzel课题组首次将固态有机空穴传输材料spiro-OMeTAD应用到染料敏化太阳能电池中, 制备出全固态染料敏化太阳能电池, 虽然仅获得了0.74%的光电转换效率, 但是却使得全固态染料敏化太阳能电池迅速发展成为介观太阳能电池的重要研究方向. 2012年, Park与Grätzel课题组合作, 使用钙钛矿型吸光材料(CH₃NH₃)PbI₃作为敏化剂, spiro-OMeTAD作为空穴收集层, 制备出光电转换效率达到9.7%的全固态介观太阳能电池, 又被称为钙钛矿太阳能电池. 自此, 基于钙钛矿材料的介观太阳能电池迅速成为太阳能电池领域的研究热点. 目前, 钙钛矿太阳能电池的最高公证效率已经达到20.1%. 钙钛矿太阳能电池作为介观太阳能电池商业化道路上里程碑式的突破, 在材料开发、界面优化以及器件稳定性方面的研究仍充满挑战, 也期待新的突破.     

反式p-i-n结构钙钛矿太阳能电池

近年来,有机无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初3.8%提升到现在的21.0%.快速的效率提升主要得益于钙钛矿材料本身的光电特性—适宜的直隙半导体禁带宽度、较低的激子束缚能、较高的摩尔消光系数、优良的载流子双极性扩散特性.然而,高效率钙钛矿太阳能电池的器件稳定性和迟滞效应现象仍未得到很好的改善,是当前急需要解决的挑战性难题.本文首先回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历程和器件结构的演变,结合本课题组在反式p-i-n结构钙钛矿太阳能电池方面的研究进展,试图阐明一些由电池结构带来的本质性差异和一些设计实现钙钛矿太阳能电池高效率、高稳定性、消除迟滞效应的普遍规律.着重总结了基于聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)基与NiO基两类p型空穴传输材料的反式结构钙钛矿电池方面的代表性研究进展.     

高效率钙钛矿型太阳能电池的化学稳定性及其研究进展

近几年来, 钙钛矿太阳能电池器件光电转换效率的最高纪录不断被刷新, 但是关于钙钛矿太阳能电池稳定性的研究报道比较缺乏. 钙钛矿太阳能电池稳定性问题已经成为制约钙钛矿太阳能电池继续发展的瓶颈. 简要讨论了水氧气氛、温度变化、湿法制备、紫外光照等不同敏感环境条件下钙钛矿太阳能电池的化学稳定性问题, 进而对一定环境条件下钙钛矿太阳能电池的化学稳定性及其调控的研究现状进行了综述, 旨在更好地理解钙钛矿太阳能电池稳定性的基础理论问题, 为实现钙钛矿太阳能电池稳定性的调控提供基本依据.     

钙钛矿太阳能电池中吸收层的研究进展

钙钛矿太阳能电池因具有成本低、制备容易和光电性能优异等突出特点受到了广泛关注.钙钛矿太阳能电池能量转化效率已从2009年的3.8%提升到2019年的25.2%.我们在文中重点总结了钙钛矿电池吸收层的制备工艺,掺杂和晶体组成、结构调控方面取得的重要进展,以及这些突破对电池效率提高的贡献,同时也提出了钙钛矿太阳能电池发展仍需要解决的问题.     

双面进光太阳能电池透明对电极研究进展

近年来,太阳能电池（包括染料敏化、量子点敏化及钙钛矿太阳能电池）因其成本低、质量轻、效率高受到研究人员的广泛关注.双面进光太阳能电池是太阳光能通过光阳极以及透明对电极同时入射的器件,是近年来扩宽太阳能电池光利用率及能效以达到提高器件光电性能的主要手段,其中透明对电极的性能直接影响器件的背面进光效率,因此研究对电极对提高双面进光太阳能电池光电转化效率十分必要.本文针对传统对电极透光性低,成本高,光利用率低等问题,与双面进光的高光电转换效率以及低成本等特点对比,综合分析了透明对电极材料的选择及界面修饰改性等对双面进光染料敏化、量子点敏化及钙钛矿太阳能电池光电性能的影响及其应用前景.     

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。     

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。     

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。     

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.     

基于CH3NH3PbI3单晶的Ta2O5顶栅双极性场效应晶体管

Organic-inorganic hybrid perovskite methylammonium lead iodide (CH₃NH₃PbI₃) generally tends to show n-type semiconductor properties. In this work, a field-effect transistor (FET) device based on a CH₃NH₃PbI₃ single crystal with tantalum pentoxide (Ta₂O₅) as the top gate dielectric was fabricated. The p-type field-effect transport properties of the device were observed in the dark. The hole mobility of the device extracted from transfer characteristics in the dark was 8.7×10^-5 cm²·V^-1·s^-1, which is one order of magnitude higher than that of polycrystalline FETs with SiO₂ as the bottom gate dielectric. In addition, the effect of light illumination on the CH₃NH₃PbI₃ single-crystal FET was studied. Light illumination strongly influenced the field effect of the device because of the intense photoelectric response of the CH₃NH₃PbI₃ single crystal. Different from a CH₃NH₃PbI₃ polycrystalline FET with a bottom gate dielectric, even with the top gate dielectric shielding, light illumination of 5.00 mW·cm^-2 caused the hole current to increase by one order of magnitude compared with that in the dark (V_GS (gate-source voltage)=V_DS (drain-source voltage)=20 V) and the photoresponsivity reached 2.5 A·W^-1. The introduction of Ta₂O₅ as the top gate dielectric selectively enhanced hole transport in the single-crystal FET, indicating that in the absence of external factors, by appropriate device design, CH₃NH₃PbI₃ also has potential for use in ambipolar transistors.     

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.     

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.     

钙钛矿CH3NH3PbI3晶体的电化学

电化学方波伏安及循环伏安测量表明,钙钛矿CH₃NH₃PbI₃晶体在有机电解质中的氧化还原过程伴随着化学降解。该化学降解源于CH₃NH₃PbI₃晶体中铅离子的还原以及碘离子的氧化。通过电化学伏安法可以测定晶体的能带。     

基于易升华添加剂辅助合成纯相富铯(CH(NH2)2)xCs1−xPbI3 钙钛矿

钙钛矿材料化学组分是决定钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的关键,纯无机钙钛矿CsPbI₃具有相对较好的热稳定性和光稳定性,但由于Cs⁺具有较小的离子半径而导致无机钙钛矿相不稳定。最近研究发现富铯FA_xCs_1?xPbI₃钙钛矿具有相对稳定的相结构,且可以很大程度上保持无机钙钛矿材料的热稳定性和光照稳定性,是一种非常具有前景的钙钛矿材料体系。目前这种富铯的FA_xCs_1?xPbI₃材料合成是通过引入过量有机组分FAI实现的,其中FAI一方面充当钙钛矿的掺杂剂,另一方面过量的FAI充当添加剂。由于其具有较高的升华温度,后续需要较高的温度使过量的FAI升华,实际上这在实验上很难实现对FAI升华量的精确控制。本文重点研究具有低升华温度的胺类,如碘甲胺(MAI)、碘化二甲胺(DMAI)、碘化乙胺(EAI)、碘化胺(NH₄I)和醋酸甲脒(FAAC),作为添加剂制备富铯FA_xCs_1?xPbI₃钙钛矿材料体系的可行性,这一方面可以有效降低钙钛矿薄膜的热处理温度;另一方面可拓宽的制备纯相钙钛矿成分的窗口期,这对大面积制备纯相富铯FA_xCs_1?xPbI₃钙钛矿薄膜尤为重要。结果表明MAI和DMAI可以作为合成FA_xCs_1?xPbI₃钙钛矿材料的有效添加剂,其与PbI2间较强的作用力可以促进Cs₄PbI₆的形成并有效抑制δ-CsPbI₃副产物的生成。合适的升华温度可以使薄膜在保持钙钛矿相结构的同时在较低温度升华去除过量的添加剂,最终实现在相对温和的条件下制备纯相富铯FA_xCs_1?xPbI₃钙钛矿材料。     

Synthesis and characterization of NaSbS2 thin film for potential photodetector and photovoltaic application

Solution-processed semiconductors such as perovskite compounds have attracted tremendous attention to photovoltaic research due to the significantly higher energy conversion efficiencies and lower processing costs.However,concerns over stability and the toxicity on lead in CH_3NH_3PbI_3 create the need for still easily-accessible but more stable and environmentally friendly materials.Here,we present NaSbS_2 as a non-toxic,earth-abundant promising material consisting of densely packed(1/∞)[SbS_2~-]polymeric chains and sodium ions.The ionic nature makes it sharing the similar dissolution superiority with perovskite,providing great potential for low-cost and large-scale fabrication.Phase pure NaSbS_2thin film was successfully fabricated using spray-pyrolysis method,and its photovoltaic relevant material,optical and electrical properties were carefully studied.Finally,a prototype NaSbS_2-based thinfilm solar cell has been successfully demonstrated,yielding a power conversion efficiency of 0.13%.The systematic experimental and theoretical investigations,combined with proof-of-principle device results,indicate that NaSbS_2 is indeed very promising for photovoltaic application.     

阴极界面修饰层改善平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池的光伏性能

有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿半导体材料结合了有机材料良好的溶液可加工性以及无机材料优越的光电特性,近几年受到了热捧,成为太阳能电池领域一颗耀眼的明星. 伴随着钙钛矿薄膜结晶过程和形貌的优化、器件结构的改进以及电极界面材料的开发,这类有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%迅速提高到目前最高的22.1%. 其中界面工程在提升器件性能上发挥着极其重要的作用. 本文总结了平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池中阴极界面修饰层（CBL）的研究进展. CBL从材料上讲可分为无机金属氧化物、金属或金属盐以及有机材料,从构成上讲可分为单层CBL、双层CBLs以及共混型CBL. 本文对这些类型的CBL分别给予详细的介绍. 最后,我们归纳出CBL在改善器件效率和稳定性上所起的作用以及理想CBL所应满足的要求,希望能为以后阴极界面修饰材料的设计提供一定的借鉴.     

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。