金属卤化物钙钛矿光电材料和器件

2009年ABX₃钙钛矿晶型的甲胺铅卤CH₃NH₃PbX₃(X=I、Br、Cl)钙钛矿材料首次应用于太阳能电池,但初始报道效率低、稳定性差。2012年后,可溶液法制备的钙钛矿太阳能电池凭借其吸光系数高、激子结合能低等优点,迅速表现出低成本和高效率的突出优势,并在光电器件等交叉领域具有很强的应用潜力。因此,钙钛矿太阳能电池被Science杂志评为2013年度国际十大科技进展,是化学和材料领域特别是光伏领域新兴的变革性技术之一。钙钛矿太阳能电池材料与器件的发展一直面临大面积、高效率、稳定性和环境友好性等挑战,对应的是钙钛矿晶体可控生长、缺陷钝化、器件优化材料稳定性和铅毒性等科学问题。     

溶液法生长大面积超薄钙钛矿单晶薄膜

卤化物钙钛矿由于其独特的光电性质,在薄膜光电子器件领域具有极大潜力1。虽然许多工作都集中在多晶钙钛矿材料上,但单晶钙钛矿比多晶具有更低的缺陷态密度、更好的载流子输运能力和更高的稳定性2,3,可以有有效减少甚至消除载流子输运过程中的散射损失以及在晶界处的非辐射性复合4。采用单晶钙钛矿薄膜作为器件活性层被认为是进一步提高钙钛矿光电子器件性能的理想方案。目前,研究报道的钙钛矿单晶薄膜生长方法主要通过化学气相沉积和溶液空间限制法5,6,然而,所制备的薄膜厚度往往较厚,相应的器件性能也没有多晶薄膜的器件高7,因此,生长高质量的超薄大面积钙钛矿单晶薄膜至关重要。     

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。     

Y-Mn-O负载的Ni基催化剂用于乙酸自热重整产氢

为了有效地从生物质衍生的乙酸中获得高氢气产率,通过水热法合成了一系列的NiMnY催化剂并用于乙酸自热重整(ATR)过程中,并采用X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附测试、H₂程序升温还原(H₂-TPR)探究催化剂中的内在联系。在Ni_0.39Mn_0.61YO_3.11±δ催化剂中,经焙烧后形成了类钙钛矿型(Ni,Mn)YO3物相;经氢气还原后,转化为含有Mn O、Y₂O₃和高分散Ni纳米粒子的热稳定的Ni-Mn-Y-O物种。Ni_0.39Mn_0.61YO_3.11±δ具有高效稳定的产氢催化性能,乙酸转化率高达100%,氢气产率达到2.68 mol_(H₂)·mol_HAc^-1。     

PEMFC阴极催化层结构分析

采用CCS法（catalyst coated substrate）构建铂纳米颗粒（Pt-NPs）和铂纳米线（Pt-NWs）双层催化层结构,分析其对单电池电化学性能的影响。对于富铂/贫铂双层铂纳米颗粒结构,靠近质子交换膜侧的富铂层中致密的铂颗粒结构能促进ORR速率,而靠近气体扩散层一侧的具有更高的孔隙率和平均孔尺寸的贫铂层,有利于反应气体的传输和扩散,当贫富铂层铂载量比为1:2时,单电池测试表现出最优性能,在0.6 V时的电流密度达到了1.05 A·cm^-2,峰值功率密度为0.69 W·cm^-2,较常规单层催化层结构提升了21%。在以Pt-NPs作为基底层时生长Pt-NWs时,得到了梯度分布的双层结构。铂颗粒的存在促进了铂前驱体的还原,并为新形成的铂原子提供了沉积位置。在Pt-NPs基底上生长的Pt-NWs具有更均匀的分布以及更致密的绒毛结构,并且自然形成了一种梯度分布。优化后的Pt-NWs催化层在0.6 V时的电流密度提高了21%。含有双层催化层结构的膜电极具有更高的催化剂利用率,对阴极催化层结构的优化和制备提供了新思路。     

全无机钙钛矿太阳电池的制备及稳定性

全无机钙钛矿太阳电池因其热稳定性好、载流子迁移率高,可用于制备叠层电池等优点备受关注。随着人们对全无机钙钛矿太阳电池的深入研究和制备工艺的持续优化,全无机钙钛矿太阳电池的光电转换效率已经突破19%。然而,全无机钙钛矿材料相稳定性较差,这使得实现全无机钙钛矿太阳电池在空气环境下制备和长期使用面临巨大挑战。众多科研工作者通过分析全无机钙钛矿材料的相变机制,有针对性地提出了包括添加剂工程、界面工程和开发全无机钙钛矿量子点电池等多种方式来改善全无机钙钛矿太阳电池的长期稳定性。本综述从全无机钙钛矿材料与电池的结构、活性层制备方法和稳定性研究三个方面总结了近年来关于全无机钙钛矿太阳电池的研究进展。     

钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备及应用

目前,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSC)的器件效率已经超过25%。电子传输层作为PSC中的重要组成部分在提取和传输光生电子,阻挡空穴,修饰界面,调节界面能级和减少电荷复合等方面起着关键作用。无机n型材料,例如TiO₂、ZnO、SnO₂和其他金属氧化物材料具有成本低和稳定性好的特点,经常在传统PSC中被用作电子传输层(ETL)。有机n型材料,例如富勒烯及其衍生物、萘二酰亚胺聚合物和小分子,具有良好的成膜性能及强的电子传输性能,经常在反式PSC中被用作ETL。本综述详细介绍了PSC中电子传输层的作用机理和制备方法;重点总结了金属氧化物材料、有机分子材料、复合材料和多层分子材料电子传输层和其改性手段的最新研究进展;最后,展望了电子传输层材料朝着高性能PSC的实际应用和发展前景。     

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.     

利用扫描开尔文探针显微镜观察薄膜光电器件能级排布

薄膜光电器件的能级结构直接决定了载流子的产生、分离、传输、复合和收集等微观动力学过程,从而决定了器件性能。因此准确获取器件能级结构,是深入理解器件工作机制、推动器件技术革新的重要科学依据。此专论系统地介绍了本课题组利用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)表征薄膜光电器件如有机太阳能电池、有机-无机钙钛矿光探测器等器件中界面能级结构的工作。垂直型薄膜器件中的活性材料层被顶电极与底电极封闭,通常难以直接在器件工况下测量其中的界面能级排布,我们发展了横截面SKPM技术来解决这一难题。研究表明,界面层是调控器件能级结构、决定器件极性、提高器件性能的重要手段。本文介绍的表征技术有望在各种薄膜光电器件,诸如光伏器件、光探测器、发光二极管,尤其是各种叠层构型器件的研究中展现出广阔的应用前景。     

醋酸铅作为铅源合成CH3NH3PbBr3-xClx纳米晶体颗粒

Lead acetate, which is highly soluble in dimethylformamide, was used to synthesize mixed halide perovskite CH₃NH₃PbBr_3-xCl_x (MA = CH₃NH₃, 0 ≤ x ≤ 3) nanocrystals (NCs). This method provides an approach to address the low solubility of lead halides, especially lead chloride. Different Br/Cl ratios in MAPbBr_3-xCl_x lead to various optical properties. The photoluminescence emission peak can be tuned from 399 to 527 nm. Their full-widths at half-maxima (FWHM) are about 20 nm. MAPbBr_3-xCl_x NCs have an average diameter of ~(11 ± 3) nm and have uniform dispersion in toluene. The MAPbBr₃ NCs have a long average recombination lifetime (τ_ave = 97.4 ns) and a photoluminescence quantum yield (PLQY) of up to 73%.