环境友好型无铅卤化物钙钛矿太阳能电池研究进展

ABX₃(A为甲胺、甲脒等有机离子或铯离子,B为铅或锡等金属离子,X为溴、碘等卤化物离子)卤化物钙钛矿材料具有优异的光电特性,是当前太阳能电池研究的前沿和热点之一。然而,这类太阳能电池普遍面临含毒性元素铅和稳定性差等问题,极大地阻碍了钙钛矿太阳能电池商业化应用进程。因此,发展新型高效无铅钙钛矿太阳能电池势在必行。本文评述了环境友好型无铅卤化物钙钛矿太阳能电池的最新研究动态和进展,探讨了该类太阳能电池的制备、性能及其稳定性等问题,展望了其未来发展趋势。     

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。     

无机非铅钙钛矿太阳能电池研究进展

钙钛矿太阳能电池因其光吸收效率高、载流子寿命长、晶格缺陷容忍度高、能带可调等优点得到迅速发展,在短短几年内其太阳能转化效率已经达到22.1%。然而,在人们看到钙钛矿太阳能电池广阔发展前景的同时,其铅毒性和不稳定性严重限制了它的应用推广。无机非铅钙钛矿太阳能电池(ABX_3、A_2BB′X_6等)利用Sn、Ge、Bi、Ag等金属取代铅,以Cs、Rb等取代甲胺有希望解决目前钙钛矿太阳能电池的毒性和稳定性问题。本文主要对近几年无机非铅钙钛矿太阳能电池的研究现状做一个分析总结,并对其发展前景进行展望。     

卤化物钙钛矿微纳阵列的可控制备及应用

卤化物钙钛矿不仅具有光吸收系数高、激子束缚能低、载流子迁移率高等优异的光电性能,而且具有缺陷容忍度高、低温溶液法生长、带隙可调等传统半导体不具备的优点,迅速成为光电领域的研究热点之一。 在单个光电器件的基础上,开发阵列型器件将推动卤化物钙钛矿在(柔性)光电器件中的应用。 但卤化物钙钛矿因对常规有机溶剂较敏感而与现有光刻工艺不兼容,开发适合卤化物钙钛矿的微纳制作工艺尤为重要。 本文系统归纳了近年卤化物钙钛矿微纳阵列制备采用的各种策略和方法,分析了不同方法的优缺点和适用性,介绍了卤化物钙钛矿微纳阵列在光电领域的应用,并对该领域目前存在的问题及发展前景进行了展望,以期为新型卤化物钙钛矿光电器件的研究提供参考。     

卤化钙钛矿太阳能电池的缺陷容忍及缺陷钝化研究进展

缺陷在钙钛矿太阳能电池的快速发展中起着至关重要的作用。缺陷容忍性,即金属卤化钙钛矿的主导缺陷是浅能级缺陷,它们不会成为强非辐射复合中心,这被认为是金属卤化钙钛矿的独特特性,是其具有高光电转换效率的主要原因。然而,要进一步提高金属卤化钙钛矿的光电转换效率,就需要消除一些可作为非辐射复合中心并严重影响器件性能的少量深能级缺陷,包括点缺陷、晶界、表面和界面等。本文综述了缺陷容忍的研究进展,包括软声子模式和极化子效应。此外,还总结了缺陷钝化的策略,包括通过阳离子或阴离子来钝化离子键,以及通过路易斯酸或路易斯碱来钝化配位键等。     

钙钛矿太阳电池吸光层材料研究进展

近年来,有机-无机卤化铅钙钛矿太阳电池的研究取得了突破性进展,公证记录电池效率22.1%,与CdTe薄膜电池（认证记录电池效率22.1%）和CuInGaSn（CIGS）（认证记录电池效率22.3%）薄膜电池技术相媲美,已经接近于市场上主导地位的晶体硅太阳电池（约25%）。有机卤化铅钙钛矿太阳电池器件的长期效率输出稳定性和含毒性Pb严重制约其实际应用。本文将讨论有机卤化铅钙钛矿太阳电池不稳定性因素和相应的解决方案,并对钙钛矿材料中Pb元素的取代工作和无机非铅钙钛矿材料及其太阳电池的研究进行了阐述与展望。     

全无机卤化铅钙钛矿的结构、热力学稳定性和电子性质

有机-无机杂化卤化铅钙钛矿因具有独特的电子和光学特性,已经成为光电领域最有前途的材料。但是,有机-无机钙钛矿材料及器件稳定性差,限制了其实际应用。与杂化钙钛矿相比,全无机卤化物钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)显示出更强的热稳定性。全无机卤化物钙钛矿CsPbX₃具有多个晶型,在不同的温度下呈不同相结构。目前,关于CsPbX₃的结构和物理性质仍存在争议。本文我们针对三个晶相α-,β-和γ-CsPbX₃的结构,热力学稳定性和电子性质进行了全面的理论研究。第一性原理计算表明,从高温α相到低温β相,然后再到γ相的相变伴随着PbX₆八面体的畸变。零温形成能计算表明,γ相最稳定,这与实验中γ相为低温稳定相的结论一致。电子性质计算表明,所有CsPbX₃钙钛矿都表现出直接带隙性质,并且带隙值从α相到β相再到γ相逐渐增加。这是由于相变发生时,Pb-X成键强度逐渐减弱,使价带顶能量降低,进而带隙增加。在所有相中,α相结构中较强的Pb-X相互作用,导致了较强的带边色散,使其具有较小的载流子有效质量。     

钙钛矿型太阳电池研究进展

自从2009年钙钛矿材料被应用到太阳电池领域,到现在仅6年的时间里,钙钛矿型太阳电池的光伏转换效率从约3%提高到20.1%,受到全球瞩目。 本文对近年来钙钛矿型太阳电池的发展进行了综述,介绍了钙钛矿吸光材料的性能及其制备,总结了钙钛矿型太阳电池器件结构及其内在机理,探讨了该类型电池待突破的方向和可能的解决途径,阐述了钙钛矿型太阳电池的进展历程,展望了未来发展方向。     

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。     

高效钙钛矿太阳能电池吸光层的设计与优化

本文设计了多元混合钙钛矿吸光层涂布液配方,并采用两步法组装了钙钛矿电池器件。由于两步法制备钙钛矿吸光层存在配方和工艺相对复杂的问题,导致电池器件性能难以提升,因此,本文采用正交实验的方法,筛选出影响电池器件性能的关键因素。针对关键因素设计了系列实验,通过观察钙钛矿层薄膜形貌,测试钙钛矿太阳能电池器件的光电性能,并采用多种表征手段研究了钙钛矿层薄膜性质,确定了关键因素的添加量,最后优选出钙钛矿电池吸光层的最佳配方,得到高质量的钙钛矿薄膜,电池的光电转换效率达到21.1%。     

硫化氢气体传感器的研究进展

硫化氢(H_2S)是一种具有臭鸡蛋气味的腐蚀性气体,是广泛存在的环境污染物之一。H_2S为剧毒性气体,且易挥发,严重损伤人的呼吸系统,甚至神经系统和心脏器官。因此,实现H_2S气体的快速、高灵敏及实时检测对于工业生产、公共安全、环境监测和医疗健康等领域具有十分重要的意义。该文对近5年来电量型和光学型两类H_2S气体传感器在传感技术和传感材料上取得的重要进展进行了综述,并对这两类传感器所面临的问题和未来发展趋势进行了探讨。     

锡基钙钛矿太阳能电池研究进展

自2009年以来,有机-无机卤化物钙钛矿因其独特的光学和电学性能,在光电材料领域受到了广泛的研究,尤其是Pb基的卤化物钙钛矿太阳能电池,目前光电转换效率高达创纪录的约25.2%,显示出强大的商业化潜力。然而,Pb元素的毒性及因而导致的环境隐患问题,一直是其产业化过程中的顾虑之一。因此,寻求能替代Pb的环境友好的元素,是一个十分重要的课题。Pb基钙钛矿材料优异的光电特性来源于Pb²⁺的最外层6s2孤对电子,与Pb元素同主族的Sn元素能够形成三维钙钛矿结构且同样具有惰性5s2外层电子结构,因而是替代Pb的首选。本文系统地介绍了Sn基钙钛矿的光学和电学性质,并从薄膜制备方法和不同的器件结构方面介绍Sn基钙钛矿太阳能电池的最新进展。     

二维有机-无机杂化钙钛矿铁电材料的研究进展

铁电性通常是指电介质材料的自发极化取向随着外加电场发生变化的性能.以自发极化为核心,铁电材料表现出优异的介电响应、热释电性、压电性、电光效应和非线性光学效应等,是一类具有广阔应用前景的功能材料.近年来,二维有机-无机杂化钙钛矿化合物在铁电研究领域崭露头角,逐渐发展为铁电材料的重要组成部分.此类材料具有独特的结构兼容性与...     

Recent Advances in Flexible Perovskite Solar Cells: Fabrication and Applications

Flexible perovskite solar cells have attracted widespread research effort because of their potential in portable electronics. The efficiency has exceeded 18 % owing to the high‐quality perovskite film achieved by various low‐temperature fabrication methods and matching of the interface and electrode materials. This Review focuses on recent progress in flexible perovskite solar cells concerning low‐temperature fabrication methods to improve the properties of perovskite films, such as full coverage, uniform morphology, and good crystallinity; demonstrated interface layers used in flexible perovskite solar cells, considering key figures‐of‐merit such as high transmittance, high carrier mobility, suitable band gap, and easy fabrication via low‐temperature methods; flexible transparent electrode materials developed to enhance the mechanical stability of the devices; mechanical and long‐term environmental stability; an outlook of flexible perovskite solar cells in portable electronic devices; and perspectives of commercialization for flexible perovskite solar cells based on cost.     

钙钛矿太阳电池研究进展:薄膜形貌控制与界面工程

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池因兼具低成本溶液加工和优异的光电转换性能在国际上倍受关注. 基于其吸收强、迁移率高、载流子寿命长、可调控带隙以及可采用多种方式加工等优势, 钙钛矿太阳电池在短短5年时间里, 实验室小面积器件的能量转换效率已经从低于5%提高到近20%, 模块器件的能量转换效率可达8.7%, 其效率超过了很多其他类型太阳电池, 接近可以商业化的水平. 借助于相关材料性质理解和电池设计优化, 钙钛矿太阳电池效率的进一步提升存在很大的潜力空间. 本文通过文献综述, 在回顾国内外钙钛矿太阳电池发展情况的基础上, 着重讨论影响钙钛矿太阳电池性能的其中两个重要因素: 薄膜形貌控制与界面工程, 并分析了钙钛矿太阳电池面临的基础科学问题以及展望该技术的未来前景.     

Optical Chemical Sensors Based on Sol-Gel Materials: Recent Advances and Critical Issues

The use of the sol-gel process to produce materials for optical chemical sensors and biosensors is attracting considerable interest. This interest derives mainly from the design flexibility of the sol-gel process and the ease of fabrication. In most applications the sol-gel material is used to provide a microporous support matrix in which analyte-sensitive species are entrapped and into which smaller analyte molecules may diffuse. Sensors based on entrapped organic and inorganic dyes, enzymes and other biomolecules have been reported. A range of sensor configurations has been employed, including monoliths, thin films, as well as more elaborate structures. In this paper a selection is presented of recent significant developments in optical chemical sensors which employ solgel-derived materials. These developments include the tailoring of sol-gel materials to optimise sensor response, advanced waveguide structures and novel probe-tip sensors. Those issues which remain critical to the eventual deployment of sol-gel sensors are examined. In particular, the problems of leaching, microstructural stability, diffusion-limited response time, and susceptibility to interferents are discussed and some solutions proposed.     

Recent Advances in the Synthesis of MXene Quantum Dots

Quantum dots (QDs) with ultrahigh surface-to-volume ratio, abundant edge active sites, forceful quantum confinement and other remarkable physio-chemical properties, have garnered considerable research interest. MXene QDs, as an emerging member of them, have also attracted wide attention in the last six years, and shown great achievements in many fields. This critical review systematically summarizes the various methods for synthesizing MXene QDs. The characteristics and corresponding applications of various MXene QDs are also presented. The advantages and disadvantages of various synthetic methods, and the limitations of corresponding MXene QDs are compared and highlighted. Finally, the challenges and perspectives of synthesizing MXene QDs are proposed. We hope this review will enlighten researchers to the fabrication of more advancing and promising MXene-based QDs with proprietary properties in diverse applications.     

Recent Advances in Electrochemical Sensors for Detecting Weapons of Mass Destruction. A Review

The detection of chemical warfare agents (CWA) has become a worldwide security concern in light of the many recent international threats utilizing nerve agents. Among a variety of detection methods that have been developed for CWA, electrochemical sensors offer the unrivaled merits of high sensitivity, specificity and operational simplicity. Recent insights into novel fabrication methodologies and electrochemical techniques have resulted in the demonstration of electrochemical sensors able to address many of the limitations of conventional methodologies. This article reviews recent advances and developments in the field of electrochemical biosensors based detection of nerve agent and their utility for decentralized threat detection. With continued innovations and attention to key challenges, it is expected that electrochemical sensors will play a pivotal role in the CWA detection scenario. This review concludes with the implications of the electrochemical sensing platforms along with future prospects and challenges.