碘化钾对两步法制备钙钛矿薄膜及其电池性能的影响EI北大核心CSCD

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池因具有光电转化效率高和制备成本低廉等优点而备受关注。钙钛矿薄膜中的缺陷是限制钙钛矿电池性能进一步提升的重要因素,而缺陷调控又依赖于薄膜制备方法的发展和进步。两步法是制备钙钛矿薄膜和电池的主要方法之一,但目前对在两步法前驱液中引入添加剂如何影响钙钛矿薄膜结晶过程和缺陷密度的认识不足。本工作致力于利用光谱、X射线衍射、扫描电镜和电学测试等技术手段研究在两步法的铅盐溶液中引入碘化钾(KI)对卤化铅溶液、钙钛矿转化、缺陷密度和电池性能的影响。实验结果表明,适量KI的引入有利于高碘配位数铅碘配合物的生成,促进卤化铅向钙钛矿相的室温转化,并有效降低钙钛矿薄膜中的缺陷密度,钙钛矿电池的光电转化效率从无KI时的17.49%提高到19.17%。本工作的研究结果不仅有助于加深对两步法制备钙钛矿过程中结晶规律的理解,而且有助于进一步推动钙钛矿薄膜质量和器件性能的提升。     

溶液法制备全无机钙钛矿太阳能电池的研究进展

太阳能光伏技术,能实现太阳能与电能的高效转换,是实现人类文明可持续发展的关键绿色能源技术.其中,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池具有优异的光电特性、低廉的制备成本、高效的转换效率,已成为该领域的研究前沿.虽然有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已约高达24%,但其体系中的有机物组分易受环境中的光、热、潮等因素影响而分解,致使器件稳定性存在严重的缺陷,极大地限制了钙钛矿太阳能电池的产业化进程.因此,如何制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池,是目前该领域的研究热点与难点,而发展具有更高环境稳定性的全无机钙钛矿太阳能电池具有重要意义.本文回顾了近年来全无机钙钛矿太阳能电池领域的研究成果,重点审视了钙钛矿薄膜的湿法制备工艺,并探讨了器件在光热稳定性方面的改善,为进一步推动钙钛矿太阳能电池的实用化进程提供可行性参考.     

赝卤素阴离子工程在钙钛矿太阳能电池中的应用研究进展

金属卤化物钙钛矿太阳能电池已经能够实现25.7%的认证光电转化效率，接近于晶硅太阳能电池26.7%的最高认证效率。众所周知，ABX3钙钛矿材料的晶体结构组分工程在实现高效和稳定的器件方面发挥着关键作用，尤其是近几年受到研究人员广泛关注的X位卤素阴离子组分工程。最近，研究人员在引入赝卤素阴离子作为钙钛矿晶体的掺杂组分、前驱体添加剂、薄膜后处理材料、电荷传输材料、界面钝化剂以及改性剂等方面开展了多项研究工作，结果证明赝卤素离子修饰是提高器件效率和稳定性的重要策略。本综述详细对比和总结了目前可用于钙钛矿太阳能电池的多种类型的赝卤素离子，并对其影响钙钛矿晶体薄膜形貌、光电特性、载流子迁移特性和器件光伏特性及稳定性等方面的深入机理和作用本质进行了深入总结。同时，本文还对目前尚未被探索开发的赝卤素离子进行了展望和分析，以期在未来研究中能有效促进钙钛矿太阳能电池光伏特性的提升。     

硫化亚锡薄膜的可控制备及其光伏特性

由于具有较大的光学吸收系数与低廉的材料成本,硫化亚锡(SnS)在新型薄膜太阳能电池中展现出巨大的应用前景。为了实现SnS薄膜的可控制备,进而研究其光伏特性,首先,利用脉冲电沉积法在不同工艺条件下制备了一系列SnS薄膜;然后,通过X射线衍射(XRD)技术与扫描电子显微镜(SEM)对薄膜的晶体结构与表面形貌进行表征,结合紫外-可见-近红外吸收光谱测试结果,研究两种不同开启脉冲电压对SnS薄膜禁带宽度的影响。同时,采用莫特-肖特基方程定量计算了SnS薄膜的导电类型与掺杂浓度。在此基础上,设计了基于Au/SnS/CdS/ITO异质结的原型光伏器件。在AM1.5标准太阳光照射下,原型器件开路电压为111 mV,短路电流密度为20.81μA/cm~2。为未来低成本、高性能的薄膜太阳能电池吸收层材料研究提供了理论基础和实验依据。     

扭曲二维结构钝化的钙钛矿太阳能电池

有机-无机钙钛矿材料是一种新兴的可溶液加工的薄膜太阳能电池材料.通过向钙钛矿中引入低维结构能够显著提高其材料稳定性和器件稳定性.首先,探究了一种双阳离子2, 2’-联咪唑(BIM)形成的铅基二维钙钛矿;然后,通过单晶衍射手段发现了一种新型的扭曲二维结构;最后,通过一步旋涂方法将这种扭曲二维结构引入到钙钛矿薄膜中,所得到的太阳能电池器件效率达14%,并且具有较好的稳定性.本文提供了一种新的钙钛矿薄膜的钝化体系,并且直接运用于太阳能电池器件的制备,为提高钙钛矿太阳能电池的稳定性提供了新的发展思路.     

高压衍射实验中的同步辐射光束的定位

 应用同步辐射光源进行高温高压原位能量色散X射线衍射实验,入射X射线光束定位是关键。北京同步辐射实验室高压衍射站引入四刀光阑扫描系统,实现调光定位自动化,简化调光手续,提高实验效率,为高压衍射实验站的用户进行实验提供了方便。     

异丙醇添加剂在钙钛矿太阳能电池中的应用

有机-无机混合铅卤钙钛矿由于其具有可溶液加工、强吸收、高迁移率等优点,近年来被广泛关注。引入异丙醇作为钙钛矿前驱液的添加剂用一步法旋涂制备出具有大晶粒尺寸的钙钛矿薄膜。用此方法制作钙钛矿太阳能电池并探究最优的异丙醇掺杂浓度。基于异丙醇体积分数为6%的钙钛矿电池性能最高,能量转换效率达到14.6%,比不使用添加剂的对比器件提高了40%。     

沉积速率对直流脉冲溅射钼薄膜微结构与光学性能的影响

用脉冲直流磁控溅射方法在硅片衬底上制备了厚度相同的单层钼薄膜,结合台阶仪、X射线衍射仪、场发射扫描电镜、原子力学显微镜和紫外-可见分光光度计分别研究了不同沉积速率对钼薄膜微结构、表面形貌和光学性能的影响。掠入射X射线反射谱拟合的钼薄膜厚度与设计厚度一致,说明当前钼薄膜制备工艺成熟稳定。沉积速率通过改变薄膜生长模式与薄膜形核率影响钼薄膜表面形貌演化。随着沉积速率的增大,薄膜越来越致密,钼(110)面的衍射峰强度逐渐增大,平均晶粒尺寸增大,表面粗糙度先降低后增加。     

金属离子掺杂提高全无机钙钛矿纳米晶发光性质的研究进展

金属卤化物钙钛矿纳米晶由于其卓越的光电子性能,在发光二极管、激光器、X射线成像、太阳能电池及光电探测等领域中受到了极大的关注.与有机-无机杂化钙钛矿纳米晶相比,全无机钙钛矿CsPbX_3 (X=Cl, Br, I)纳米晶具有更优异的光电性能和更高的稳定性.为进一步提高CsPbX_3纳米晶的光致发光量子效率和稳定性,有研究已经着手调控纳米晶的微观结构,减少作为非辐射复合中心的缺陷.近年来,在金属离子掺杂CsPb X_3纳米晶过程中,发现不同种类和不同掺杂浓度的金属离子对其电子能带结构和光致发光性能有着巨大的影响,基于金属离子掺杂取得了光致发光量子效率接近100%的CsPb X_3纳米晶.本文综述了近年来在CsPbCl_3, CsPbBr_3, CsPbI_3和Mn~(2+)掺杂CsPbX_3 (Mn~(2+):CsPbX_3)四种体系中通过金属离子掺杂提高全无机钙钛矿纳米晶光学性能的研究进展及其性能提升的物理机制.此外,提出了下一步还需要深入研究的一些问题和策略,通过这些问题的深入研究,希望能促使全无机钙钛矿纳米晶在各种光电器件中得到更广泛的应用.     

NiO透明导电薄膜的制备及在聚合物太阳能电池中的应用

采用磁控溅射法制备出透明导电氧化物NiO薄膜.椭偏(SE)测试表明NiO薄膜在可见光区域透光性良好,通过调节生长、退火温度可调控NiO的折射率.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)手段研究表明,通过退火、改变衬底温度等,可有效改变NiO薄膜的晶体结构以及表面形貌,实现对NiO导电性的调控. 采用优化后的NiO材料为阳极阻挡层制备出的聚合物太阳能电池器件的效率为2.26%,是同等条件下采用 PEDOT:PSS阻挡层的电池器件的3倍以上.     

高效无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备与性能研究

碳基钙钛矿太阳能电池因稳定性高、成本低廉而备受关注,但由于钙钛矿与碳电极之间能级匹配度不高,界面阻力大而导致效率不及金属基钙钛矿太阳能电池.本文制备了碳基无空穴传输层FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/CH₃NH₃PbI₃/Carbon电池结构.通过对介孔二氧化钛层、钙钛矿层厚度进行优化,并对钙钛矿的薄膜形貌及钙钛矿激发电子寿命、可见光吸收度、载流子的提取与分离等进行深度分析,讨论了电池效率提升的内在机理.当介孔氧化钛层和钙钛矿层达到最优厚度时,钙钛矿太阳能电池获得了开路电压（V_oc）为0.93 V、电流密度（J_sc）为21.75 mA/cm²、填充因子为55%、光电转化效率达到11.11%.同时对电池进行了稳定性研究,在室温湿度为40%–50%的条件下放置15 d电池性能依旧稳定保持原来的95%,优于金属基钙钛矿太阳能电池,从而为碳电极钙钛矿太阳能电池的商业化发展提供了可能.     

蒸汽辅助溶液过程制备钙钛矿材料及钙钛矿太阳能电池

有机无机杂化钙钛矿材料被广泛应用于光电器件领域,特别是其作为太阳能电池的吸光材料,受到学术界和工业界越来越多的关注。钙钛矿太阳能电池的产业化进程正在进行中,而在进一步降低制备成本、提高电池转换效率的同时,研究出一种操作简单且可重复性高的制备钙钛矿薄膜的技术具有十分重要的意义。与其他传统的溶液处理方法不同,蒸汽辅助溶液过程(VASP)处理法避免了薄膜在生长过程中溶解以及溶剂化作用,抑制了晶核的形成,使薄膜快速重组,获得致密的高质量钙钛矿薄膜。目前报道,基于此薄膜制备的平面结构钙钛矿太阳能电池转换效率高达16.8%。本文综述了低温(150℃)VASP法制备的钙钛矿薄膜及光伏器件的相关研究进展,并对该技术的产业化前景做了展望。VASP制备过程简单、薄膜性能优异且可重复性高,为进一步制备大面积、高质量薄膜提供了可能。     

Humidity controlled crystallization of thin CH3NH3PbI3 films for high performance perovskite solar cell

Control of crystallization of a solution‐processed perovskite layer is of prime importance for high performance solar cells. In spite of the negative effect of water on perovskite solar energy conversion in several previous works, we observed that humidity plays a critical role to develop a thin uniform, dense perovskite film with preferred crystals, in particular, in a device with architecture of ITO/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbI₃/ PC₇₁BM/LiF/Al fabricated by two‐step sequential spin‐coating process. Humidity controlled spin‐coating of CH₃NH₃I on the pre‐formed PbI₂ layer was the most influential process and systematic structural investigation as a function of humidity revealed that grains of CH₃NH₃PbI₃ perovskite crystals increase in size with their preferred orientation while film surface becomes roughened as the humidity increases. The performance of a device was closely related to the humidity dependent film morphology and in 40% relative humidity, the device exhibited the maximum power conversion efficiency of approximately 12% more than 10 times greater than that of a device fabricated at 20% humidity. The results suggest that our process with controlled humidity can be another efficient route for high performance and reliable perovskite solar cells. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim)     

纳米ZnO墨水的溶剂及浓度优化及其在钙钛矿太阳能电池中的应用

纳米金属Zn O作为界面缓冲材料能够有效提高基于有机金属卤化物-甲基碘化铵的钙钛矿(PVSK)太阳能电池的水氧稳定性,是溶液制备高稳定性钙钛矿太阳能电池的一个关键技术。而在器件的制备过程中,Zn O分散溶剂的渗透可能导致下层钙钛矿薄膜的结构物性发生变化,从而对器件性能造成显著的影响。为解决该问题,本文详细分析了不同极性有机溶剂对Zn O分散性的影响,研究了不同溶剂对PVSK/PCBM薄膜的吸收光谱和晶体结构的影响,最终获得了甲醇-正丁醇混合溶剂的体积比为1∶1、Zn O质量浓度为10 mg·m L-1的优化分散体系,为进一步开展全溶液法制备钙钛矿太阳能电池提供了重要指导。     

应用于钙钛矿太阳能电池中金属氧化物电子传输材料的研究进展

基于有机金属卤化铅钙钛矿材料作为光活性层的太阳能电池(PSCs)已经获得了25.2%的认证效率,是除硅基太阳能电池外被认为最有可能实现商业化的太阳能电池之一。电子传输层是PSCs器件结构的最基本组成之一,其构成材料与光活性层的成膜质量、界面电荷的快速提取以及能级匹配等密切相关。因而,电子传输材料在PSCs的光伏性能及稳定性调控方面发挥着重要作用。本文对应用在PSCs中的金属氧化物电子传输材料进行了回顾与总结,着重强调了材料的纳米结构与制备工艺、半导体特性与分类以及掺杂与界面修饰等方面的研究进展,并对其今后的发展进行了展望。     

Metal halide perovskite photodetectors: Material features and device engineering

In recent years, the rapid progress of metal halide perovskite solar cells has been witnessed by the rocketing power conversion efficiency. In addition, perovskites have opened up a great opportunity for high performance photodetectors(PDs), due to their attractive optical and electrical properties. This review summarizes the latest progress of perovskitebased PDs, aiming to give a comprehensive understanding of the material design and device engineering in perovskite PDs.To begin with, the performance parameters and device configurations of perovskite PDs are introduced, which are the basis for the next discussion. Next, various PDs based on perovskites in different morphologies are discussed from two aspects:the preparation method, and device performance. Then, several device engineering strategies to enhance the performance of perovskite-based PDs are highlighted, followed by the introduction of flexible and narrow-band perovskite PDs. Finally,key issues and major challenges of perovskite PDs that need to be addressed in the future are outlined.     

Microwave-assisted synthesis of silver nanocrystals in benzyl alcohol and their subsequent in situ chemical transformation into Ag–AgCl nanohybrids for plasmonic photocatalysis

In heterostructured metal–semiconductor system, plasmonic metal nanostructures can cooperate with semiconductors to enhance the solar light harness and energy conversion. In this study, we report on the plasmonically photocatalytic system constructed by in situ growth of semiconductor on metal nanostructures with high performance and stability. A facile and rapid microwave-assisted route was first explored to synthesize Ag nanocrystals, and subsequently converting them to Ag–AgCl nanohybrids was realized by in situ chemical transformation strategy at room temperature. These Ag–AgCl nanohybrids were characterized by X-ray diffraction, scanning electronic microscopy, and UV–vis absorption spectroscopy. The resulting Ag–AgCl nanohybrids showed remarkable photocatalytic activity and excellent durability for the degradation of organic pollutants under visible light irradiation. This finding provides a new way to improve photocatalytic efficiency through controllable chemical transformation.     

2018年6期 电子期刊

研究了白光LED用K₂SiF₆：Mn⁴⁺红色荧光粉湿热环境下的发光性能劣化规律及机理。结果表明,环境中水汽的侵蚀可导致K₂SiF₆：Mn⁴⁺荧光粉发光性能劣化,且温度升高可加剧该劣化过程。85%湿度/70℃下处理6 h,K₂SiF₆：7%Mn⁴⁺荧光粉相对亮度降至初始值的25%。荧光粉中Mn⁴⁺含量越高,湿热条件下的性能劣化越显著。基于湿热处理前后荧光粉的XRD、表面形貌以及光学性能的对比分析,发现湿热环境下K₂SiF₆：Mn⁴⁺荧光粉的劣化主要是由于表面水汽侵蚀产物强吸收400~700 nm的可见光,降低荧光粉的激发效率以及再吸收荧光粉的发射光。水热后处理可使K₂SiF₆：Mn⁴⁺荧光粉颗粒尺寸增大,结晶性提高,从而显著改善其耐水性。85%湿度/70℃下处理6 h,水热后处理K₂SiF₆：7%Mn⁴⁺荧光粉的相对亮度仍可保持初始值的80%。     

真空闪蒸法制备钙钛矿薄膜的光学性质研究

近年来,以有机无机杂化铅卤钙钛矿为吸光层的薄膜太阳能电池受到了广泛的关注,不到十年时间其光电转换效率已经从3.8%提高到了23%,这主要归因于有机铅卤钙钛矿材料光吸收系数高,带隙合适并易于调控,电子-空穴扩散长度长等优点。2016年Gr?tzelL等人利用低气压快速去除薄膜前驱体溶剂的方法,获得了高质量的甲脒和溴离子掺杂钙钛矿薄膜。相比于其他传统的溶液制备方法,这种方法能够很好的解决大面积均匀性的问题,为高效率、大面积钙钛矿太阳电池产业化提供了可能。钙钛矿薄膜的成份、结构及其光学性能对于太阳电池的器件性能起决定性作用,因此在该制备技术下,研究不同掺杂种类钙钛矿薄膜对光学性质的影响具有积极的意义。利用真空闪蒸溶液技术制备了3种成分的钙钛矿薄膜,利用扫描电镜、 X射线衍射,吸收光谱和荧光光谱等表征手段对薄膜的形貌、结构和光学性质进行了研究。结果表明,该技术可以用于制备均匀致密、无针孔的高质量甲脒、溴离子掺杂和氯离子掺杂的钙钛矿薄膜(成分分别为(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15,MA3PbI3和MAPb(IxCl1-x)3),薄膜中晶粒的尺寸分别为500, 100和200 nm左右;薄膜的形成过程为溶剂中的DMSO与钙钛矿配位,并在真空闪蒸过程中快速形成相对稳定中间相,经过加热后,薄膜中的DMSO被去除并形成钙钛矿晶体,结构为四方相;甲脒、溴离子和氯离子掺杂的薄膜对可见光有强烈的吸收作用,薄膜吸收边均在750 nm左右;薄膜的掺杂对带隙宽度没有明显影响, 3种成份的薄膜带隙宽度位于1.6 eV左右;甲基胺碘化铅的荧光发射峰在765 nm,甲脒和溴离子掺杂后发光峰位红移至774 nm,氯离子掺杂后薄膜峰位处于761 nm,有微弱的蓝移,且强度出现下降。这可能是晶粒尺寸和薄膜内部缺陷变化导致的。     

Device simulation of lead-free CH_3NH_3SnI_3 perovskite solar cells with high efficiency

The lead-free perovskite solar cells(PSCs) have drawn a great deal of research interest due to the Pb toxicity of the lead halide perovskite.CH_3NH_3SnI_3 is a viable alternative to CH_3NH_3PbX_3,because it has a narrower band gap of 1.3 eV and a wider visible absorption spectrum than the lead halide perovskite.The progress of fabricating tin iodide PSCs with good stability has stimulated the studies of these CH_3NH_3SnI_3 based cells greatly.In the paper,we study the influences of various parameters on the solar cell performance through theoretical analysis and device simulation.It is found in the simulation that the solar cell performance can be improved to some extent by adjusting the doping concentration of the perovskite absorption layer and the electron affinity of the buffer and HTM,while the reduction of the defect density of the perovskite absorption layer significantly improves the cell performance.By further optimizing the parameters of the doping concentration(1.3 × 10~(16) cm~3) and the defect density(1 × 10~(15) cm~3) of perovskite absorption layer,and the electron affinity of buffer(4.0 eV) and HTM(2.6 eV),we finally obtain some encouraging results of the J_(sc) of 31.59 mA/cm~2,V_(oc) of 0.92 V,FF of 79.99%,and PCE of 23.36%.The results show that the lead-free CH_3NH_3SnI_3 PSC is a potential environmentally friendly solar cell with high efficiency.Improving the Sn~(2+) stability and reducing the defect density of CH_3NH_3SnI_3 are key issues for the future research,which can be solved by improving the fabrication and encapsulation process of the cell.