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...     

低成本、高性能钙钛矿电池有机小分子空穴传输材料

钙钛矿太阳能电池由于其高能量转换效率(最高报道认证效率为25.2%)、低成本和易于制造等特点,成为下一代光伏技术的关注焦点.虽然钙钛矿材料本身可以传导空穴,但其效率比较低.空穴传输材料的使用成为有效提取电荷和提高钙钛矿型太阳能电池效率的关键因素.总结了近期报道的低成本、高性能有机小分子空穴传输材料(效率大于19%),从螺环结构、噻吩衍生物以及其它结构进行介绍,并从合成策略和化学修饰等角度评估结构-性能的构效关系及其对器件效率和稳定性的影响,最后对有机小分子空穴传输材料的发展趋势进行了展望.     

钙钛矿太阳能电池中小分子空穴传输材料的研究进展

有机-无机钙钛矿太阳能电池(PSCs)从2009年低于5%的能量转换效率到现在经过认证的超过22%的效率,成为科研热点和最有希望商业化的新型太阳能电池。在高性能的PSCs中,空穴传输材料是关键的一环,起到从钙钛矿活性层材料到对电极有效抽取和传输空穴的作用。本文在现有研究成果的基础上,对有机分子空穴传输材料在PSC中的应用进行总结,并强调分子材料结构对PSC器件性能(效率和稳定性)的影响。     

D-π-A-π-D型非掺杂小分子空穴传输材料的合成及其在反向钙钛矿太阳能电池中的应用

设计合成了三种以（甲氧基）三苯胺为给体（Donor,D）,苯环为共轭π桥,羰基（或双氰基乙烯基）为受体（Acceptor,A）的D-π-A-π-D型有机小分子空穴传输材料1-T、1-OT和1-OTCN.对三个化合物的热稳定性、光物理以及电化学性质进行表征,并将它们作为空穴传输材料运用至钙钛矿太阳能电池中,研究其光伏特性.实验结果表明,通过引入具有不同给（吸）电子能力的基团,可对材料的光电性质进行有效调控.基于小分子空穴传输材料1-T、1-OT和1-OTCN的非掺杂反向钙钛矿太阳能电池器件光电转化效率（PCE）分别为13.0%、14.4%以及16.8%.其中,基于甲氧基和双氰基修饰的1-OTCN电池器件,由于空穴传输层与钙钛矿界面发生更有效的电荷跃迁和收集,电荷复合较少,因此器件性能最佳,1-OTCN的疏水性质使得其对应器件效率和水氧稳定性均优于常用空穴传输材料PEDOT：PSS（PCE：13.0%）.     

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。     

基于吡嗪空穴传输层的合成及在p-i-n型钙钛矿太阳能电池中的应用

钙钛矿太阳能电池由于具有高的光电转换效率,简单的溶液加工工艺,较低的成本等优势因而拥有广阔的应用前景。有机小分子空穴传输层材料在钙钛矿太阳能电池中扮演着极其重要的角色。在本工作中,我们设计和合成了基于吡嗪为分子中心核,三苯胺为分枝的X型空穴传输层材料PT-TPA。与Si-OMeTPA对比,吡嗪的引入不仅不会影响其结晶性,并且能够改善其电荷转移特性和分子中心共平面性,从而显著提升了PT-TPA的空穴迁移率。在非掺杂的情况之下,基于PT-TPA空穴传输层的p-i-n型钙钛矿太阳能电池展现出17.52%的光电转换效率,与相同条件下基于Si-OMeTPA空穴传输层的器件相比,效率提高了近15%。     

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。     

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.     

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.     

碳量子点纳米材料在铅卤钙钛矿太阳能电池中的应用研究进展

碳量子点（CQDs）是一类粒径较小,光学性能显著,且电荷传输性能优异的类半导体纳米材料,在钙钛矿太阳能电池的性能调控和改善中得到广泛的应用。从CQDs纳米材料的合成、性能及应用出发,综述了CQDs纳米材料在钙钛矿太阳能光电器件中电子传输层、钙钛矿光吸收层和空穴传输层等方面的应用进展,并展望了该类材料调控钙钛矿太阳能器件性能的发展趋势。     

电荷分离型染料在固态染料敏化太阳能电池中的应用研究

染料敏化太阳能电池中的染料起到吸收光能和传导光生电子的作用,而染料的电荷分离状态能有效提高电子注入效率,抑制电荷复合,进而提高器件性能。本文以电荷分离(CS)型染料为敏化剂,采用spiro-OMeTAD为空穴传输材料制备了全固态染料敏化太阳能电池,分析了TiO_2光阳极膜厚的影响,当TiO_2光阳极膜厚为1. 2μm时,器件性能最优;探讨了染料结构对器件性能的影响,其中染料MTPABT-Pyc的器件性能最好,其光电流和效率分别为7. 38mA/cm~2和3. 06%。相比于电荷转移(CT)型染料MTPAcc,MTPABTPyc具有相近的捕光能力,但是其效率比MTPAcc (2. 64%)提高了16%。研究结果表明,CS型染料的电荷分离态对电荷复合的抑制和空穴的传输具有明显的优势。     

基于WOx/PEDOT:PSS复合空穴传输层的高效稳定平面异质结钙钛矿太阳电池

在基于钙钛矿/富勒烯平面异质结的钙钛矿太阳电池中,PEDOT:PSS是最常使用的空穴传输材料. 但PEDOT:PSS呈酸性,会腐蚀金属氧化物透明电极,使器件的电极界面稳定性欠佳. 本文将高功函的氧化钨（WO_x）插入到PEDOT:PSS和FTO之间,形成WO_x/PEDOT:PSS复合空穴传输层,这样既可以避免PEDOT:PSS与FTO直接接触,提高器件的稳定性,又可以进一步降低电极界面的接触势垒,从而提升器件的性能. 作者研究了复合传输层对透光率、钙钛矿形貌、钙钛矿结晶、光伏性能及器件稳定性的影响. 基于WO_x/PEDOT:PSS复合空穴传输层的电池效率可以达到12.96%,比单纯的PEDOT:PSS的电池效率(10.56%)提升了22.7%,同时器件的稳定性也得到大幅改善.     

左旋多巴和N,N-二甲基亚砜共掺杂PEDOT:PSS作为空穴传输层的高性能p-i-n型钙钛矿太阳能电池

在p-i-n型的钙钛矿太阳能电池中,聚3, 4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)作为最常用的空穴传输层(HTL)材料之一,由于其存在着吸湿性强以及能级与钙钛矿层不匹配等缺点,限制了它的应用。基于此,本文拟采用将左旋多巴(DOPA)和N, N-二甲基亚砜(DMSO)共同掺杂于PEDOT:PSS作为HTL的简单方法制备高性能p-i-n型钙钛矿太阳能电池。研究结果表明,DOPA和DMSO共掺杂PEDOT:PSS可以有效的调节HTL的能级并提高其导电性,器件的能量转化效率由13.35%显著提高到了17.54%。进一步研究发现,相比于未掺杂或单一掺杂的PEDOT:PSS,在DOPA和DMSO共掺杂的PEDOT:PSS上更有利于生长大尺寸、高结晶度的钙钛矿晶体;同时稳态/瞬态荧光和交流阻抗测试表明器件的内部载流子分离和传输更加有效。     

一种非线性结构空穴传输材料的合成及其光伏性能研究

以三苯胺为电子给体单元,4-叔丁基-甲氧基苯环为母核,设计合成了1种非线性“Y型”结构的空穴传输材料（2TPA-ph-tbyl）。光电化学测试结果表明该材料与钙钛矿材料能级匹配。单晶X射线衍射结果表明,该分子通过端位基团三苯胺形成分子间C-H/π相互作用。这种较强的侧链堆积作用使2TPA-ph-tbyl获得了3.13× 10-5 cm2 V-1 s-1的空穴迁移率,是商用空穴传输材料PEDOT：PSS的1.5倍。将其制备成倒置结构钙钛矿太阳能电池,开路电压达到1000 mV、短路电流密度为21.53 mA?cm-2,填充因子为0.71,其光电转换效率达到15.2%,高于PEDOT：PSS（13.7%）。稳态光致发光和阻抗测试表明,2TPA-ph-tbyl可以促进钙钛矿-空穴传输材料界面电荷传输,降低界面电荷复合,从而提高电池的开路电压和短路电流。上述结果表明,具有非线性结构的空穴传输材料可以通过增强分子间的侧链堆积效应,提高材料的空穴迁移率,进而提高电池的光电转换效率。     

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。     

大面积钙钛矿太阳能电池

近年来,钙钛矿太阳能电池因其高效、低成本、可制成柔性器件等突出优点在光伏研究领域备受关注。本文系统综述了大面积钙钛矿电池的最新研究进展,介绍了钙钛矿太阳能电池的结构特点、发展历史、钙钛矿薄膜的主要制备技术及改善的方法等,讨论了大面积钙钛矿太阳能电池目前存在的问题、提高大面积器件效率的方法及大面积钙钛矿太阳能电池的应用研究及工业化。最后,对大面积钙钛矿太阳能电池的应用前景进行了展望。     

卤化钙钛矿太阳能电池材料理论研究进展

卤化钙钛矿由于具有低成本、高效率等特点,最近作为非常有前景的太阳能电池吸收层材料被广泛研究。卤化钙钛矿型太阳能电池效率在短短的几年间由3.8%(2009年)迅速增加到22.1%(2016年)。卤化钙钛矿型太阳能电池的出现彻底改变了太阳能电池领域,不仅因为它们快速增长的效率,而且因为它们在材料生长和结构方面的可控性。卤化钙钛矿型太阳能电池的优越性能说明卤化钙钛矿材料具有独特的物理性质。在本综述中,我们总结了卤化钙钛矿材料最近几年在结构、电学、光学方面的理论研究成果,这些都与它们在太阳能电池方面的应用密切相关。我们也将探讨一些卤化钙钛矿型太阳能电池目前遇到的挑战以及可能的理论解决途径。