钙钛矿太阳能电池近期进展

近几年来,基于有机无机金属卤化物钙钛矿(ABX_3)的太阳能电池由于其独特的物理化学性质受到了广泛的关注.这种钙钛矿材料具有很高的消光系数、较强的电荷传递能力、长的载流子寿命、长的载流子扩散距离以及特殊的双极性,同时低成本易制作.自2009年至今,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%增长到了20.8%,使之成为最有可能在未来代替传统单晶硅太阳能电池的新型太阳能电池.同时,由于钙钛矿具有双极性,故钙钛矿太阳能电池的结构也有多种,最常见的结构有介孔结构、平面结构、介观超结构、无空穴传输层结构等.本文主要介绍钙钛矿太阳能电池的发展、电池结构及其对光电池性能的影响、钙钛矿薄膜的制备方法,同时探讨了钙钛矿在电子传输层上的吸附模型和电荷在电池界面中的传输机理以及界面工程,并介绍该类型电池在近期所获得的突破及未来可能的发展方向,以便对钙钛矿太阳能电池有进一步的了解.     

在空穴传输层聚(3-己基噻吩)中添加1,8-二碘辛烷改善碳基钙钛矿太阳能电池的性能

无空穴传输层的碳基钙钛矿太阳能(PSCs)电池拥有成本低、制备步骤简单、稳定性高的优点,应用前景广阔.但是碳电极与活性层的直接接触,导致器件的光电转换效率普遍低于其他金属电极的钙钛矿太阳能电池.本文使用聚(3-己基噻吩)(P3HT)作为器件的空穴传输层,相比传统的有机空穴传输层材料Spiro-OMeTAD,具有低成本和易于制造的优点,并通过在P3HT中掺杂1,8-二碘辛烷(DIO)的方法优化其光电性能,提升了载流子的迁移率,阻挡电子的运输,降低界面复合,改善了碳电极与器件的界面接触,提高了短路电流J_(sc)和填充因子FF,使器件的初始光电转换效率从14.06%提升至15.11%.器件在氮气环境下测试稳定性,连续光照1000 h后器件的转换效率仍保持在98%以上.     

基于聚合物非富勒烯体系PM6:Y6的钙钛矿/有机集成太阳电池光伏性能优化

通过工艺创新和薄膜优化技术成功制备基于CH₃NH₃PbI₃/PM6:Y6(BTP-4F)的钙钛矿/有机集成太阳电池(IPOSCs).通过添加剂1-8二碘辛烷DIO的调控和热退火处理,极大优化CH3NH3PbI3/PM6:Y6混合薄膜质量和获得层间欧姆接触.与此同时,近红外区有机层的空穴和电子迁移率为8.3×10^–3 cm²/(V·s)和8.8×10^–3 cm²/(V·s),可以和可见区钙钛矿层的空穴和电子迁移率相匹配,实现在微观通路上达到载流子运输平衡,导致器件具有高短路电流密度Jsc和高填充因子FF.另外,通过优化聚合物非富勒烯体系PM6:Y6质量比例混合成膜,使得薄膜中的非辐射复合位点密度和载流子复合明显减少,使得电子和空穴的提取和传输更加高效,能够提供更大的驱动力来改善载流子传输,同时形成更宽的耗尽区来抑制载流子复合以提高器件的开路电压Voc.优化的集成太阳能电池的短路电流密度提升到25.88 A/cm2,开路电压Voc增加到1...     

CsFAMA混合阳离子钙钛矿的带尾态发光和热无序度分析

利用稳态和瞬态光致发光光谱技术对Cs_0.05FA_0.81MA_0.14PbI_2.55Br_0.45(以下简称CsFAMA混合阳离子钙钛矿)薄膜的发光过程进行研究。在245 K附近观测到相变引起的CsFAMA混合阳离子钙钛矿发光光谱红移现象。根据Saha-Langmuir方程计算结果,确认温度高于65 K时电子空穴复合主导CsFAMA混合阳离子钙钛矿发光过程。利用带间发光与带尾态发光组合模型拟合CsFAMA混合阳离子钙钛矿的发光光谱,得到65～295 K温度范围内的带尾态扩展程度E₀(0.023～0.045 eV)与载流子等效温度。根据CsFAMA混合阳离子钙钛矿的发光动力学曲线分析,确定电子空穴复合速率常数R_eh随热力学温度升高(65～295 K)而不断降低。本文实验结果表明,热力学温度升高引起的晶格振动加剧,有利于实现自由载流子与晶格间的热交换,但增加了体系的热无序度,抑制了电子空穴的辐射复合,加快了载流子的非辐射复合速率。     

MAPbI_(3-x)Br_x钙钛矿薄膜中溴梯度对界面电荷转移的促进作用（英文）

混合卤素钙钛矿由于具有优异的光物理性质成为了光电子领域应用中的明星材料.因此,钙钛矿材料中光生载流子动力学的探究和调控对于进一步提升材料的性能具有重要意义.本文通过表面离子交换法制备了具有溴梯度的MAPbI_(3-x)Br_x钙钛矿薄膜,并对其内部载流子传输及界面电荷转移动力学过程进行了系统的研究.在MAPbI_(3-x)Br_x薄膜中,溴离子梯度分布所导致的能带梯度能有效促进光生空穴在薄膜内部的传输过程及在界面的提取过程.同时,由于卤素离子交换的后处理方法对薄膜表面起到了修饰作用,薄膜界面处的本征电子转移速率也得到了显著的提升.研究表明,在通过表面后处理方法制备的混合卤素钙钛矿薄膜中,有可能同时实现界面电子和空穴转移速率的提升,这对于进一步提升钙钛矿太阳能电池的能量转换效率具有一定的启发作用.     

利用PNA添加剂来调控钙钛矿薄膜结晶和覆盖率实现高效太阳能电池（英文）

钙钛矿薄膜形貌的控制是一个提高太阳能电池能量转换效率的关键问题,而引入添加剂是解决这一问题的一种有效而简便的方法。利用聚丙烯腈(PNA)作为CH_3NH_3PbI_3前驱体溶液溶剂添加剂,通过其浓度可以调控钙钛矿薄膜结晶和表面的覆盖率。本文通过SEM、XRD以及UV-Vis研究了PNA掺杂CH_3NH_3PbI_3钙钛矿薄膜后的表面形貌、结晶度和光学性能的变化。结果表明,通过添加少量的PNA可以优化钙钛矿薄膜的性能,其强烈影响薄膜的结晶过程,有助于形成均匀连续的薄膜,减少针孔,从而增强了钙钛矿层的覆盖率和光吸收。当PNA的含量为1%(质量分数)时,钙钛矿太阳能电池的各项性能最佳,能量转换效率达到了8.38%。与未加PNA的电池效率(1.31%)相比,提高了540%。这些结果表明,PNA可以有效调控钙钛矿薄膜的晶体生长和薄膜形貌,在钙钛矿太阳能电池的大规模生产过程中是一种可以改善钙钛矿薄膜质量的有效添加剂。     

n-i-p结构钙钛矿太阳能电池界面钝化的研究进展

近年来有机-无机杂化钙钛矿材料因其吸收系数高、成本低廉、制备工艺简单等优点吸引了大批科研人员进行研究,目前在实验室制备的电池能量转换效率已经超过23%.钙钛矿太阳能电池一般采用溶液法逐层制备,在此过程中由于退火温度、结晶速率等因素的影响,钙钛矿内部以及界面会产生大量的缺陷,这些缺陷会增加载流子复合概率,降低载流子寿命,严重影响钙钛矿太阳能电池的性能.因此研究和理解钙钛矿的缺陷对制备高效钙钛矿太阳能电池至关重要.本文讨论了在正式结构中,钙钛矿太阳能电池缺陷的产生以及缺陷对钙钛矿太阳能电池的影响,分析了不同材料钝化电子传输层/钙钛矿层界面以及钙钛矿层/空穴传输层界面缺陷的机理,对比了不同钝化材料对钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响,总结了界面钝化材料在钙钛矿太阳能电池中的作用.最后指出了钙钛矿太阳能电池钝化缺陷的研究趋势和发展方向.     

以硫氰酸亚铜作为空穴注入层的钙钛矿发光器件

同有机电荷注入材料相比,无机电荷注入材料具有许多优良的性质,包括高载流子迁移率、良好的稳定性、制备简单和成本低廉等,其在光电器件中的应用备受瞩目。本文采用硫氰酸亚铜(CuSCN)作为有机金属卤化物钙钛矿发光器件的空穴注入层,研究了在其上涂敷钙钛矿薄膜的形貌、晶体结构和光物理性质,并与在普遍采用的导电聚合物空穴注入层上制备钙钛矿薄膜的特性进行了比较。实验结果表明,CuSCN对钙钛矿发光具有显著的猝灭作用,在CuSCN与钙钛矿层之间加入有机间隔层能够明显提高钙钛矿薄膜的发光强度。在此基础上制备了以CuSCN作为空穴注入层的发光器件,器件的最大发光效率为11.7 cd/A,较采用导电聚合物作为空穴注入层器件的效率提高了近3倍,并且器件驱动稳定性也有一定程度的提高。     

锡基钙钛矿太阳能电池载流子传输层的探讨

锡基钙钛矿太阳能电池可避免铅元素对环境带来的污染,近年来已成为光伏领域的研究热点.本文以SCAPS-1D太阳能电池数值模拟软件为平台,对不同电子传输层和不同空穴传输层的锡基钙钛矿太阳能电池器件的性能进行数值仿真对比,从理论上分析不同载流子传输层的锡基钙钛矿太阳能电池的性能差异.结果显示,载流子传输层与钙钛矿层的能带对齐对电池性能至关重要.电子传输层具有更高的导带或电子准费米能级以及空穴传输层具有更低的价带或空穴准费米能级时,对电池输出更大的开路电压有促进作用.另外,当电子传输层的导带高于钙钛矿层导带或钙钛矿层的价带高于空穴传输层的价带时,钙钛矿层与载流子传输层界面形成spike势垒,界面复合机制相对较弱,促使电池获得更佳的性能.当Cd0.5Zn0.5S和MASnBr3分别作为电子传输层和空穴传输层时,与其他材料相比,获得了更优的输出特性:开路电压Voc=0.94 V,短路电流密度Jsc=30.35 mA/cm^2,填充因子FF=76.65%,功率转换效率PCE=21.55%,可认为Cd0.5Zn0.5S和MASnBr3是设计锡基钙钛矿太阳能电池结构合适的载流子传输层材料.这些模拟结果有助于实验上设计并制备高性能的锡基钙钦矿太阳能电池.     

含添加剂的二步溶液法制备钙钛矿太阳能电池

采用含二甲基亚砜(DMSO)添加剂的二步溶液法制备高质量CH_3NH_3PbI_3吸收层,并制备了结构为FTO/TiO_2致密层/TiO_2介孔层/CH_3NH_3PbI_3吸收层/碳电极的碳基无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池(PSCs)。研究了PbI_2薄膜分别在相同浓度的MAI/IPA溶液中浸泡不同时间,以及在不同浓度的MAI/IPA溶液中浸泡相同时间对CH_3NH_3PbI_3薄膜的形貌、结构以及对PSCs光伏性能的影响规律。结果表明,在PbI_2/DMF溶液中添加DMSO之后使制备的PbI_2薄膜呈多孔疏松状态,有利于MAI/IPA溶液渗入PbI_2薄膜内部,缩短PbI_2完全转换成CH_3NH_3PbI_3的时间;当浸泡时间为40 min时,电池的光伏性能最佳,其开路电压为0.82 V,短路电流密度为21.21 mA/cm~2,填充因子为0.49,光电转化效率为8.61%。但是当浸泡时间过长,CH_3NH_3PbI_3薄膜表面会出现大晶粒,导致电池的光伏性能变差。而在相同的浸泡时间下,MAI/IPA溶液的浓度则会显著影响PbI_2转化成CH_3NH_3PbI_3的速度,MAI/IPA溶液的浓度越高,PbI_2完全转化成CH_3NH_3PbI_3的速度越快。     

First-principles analysis of the structural,electronic, and elastic properties of cubic organic-inorganic perovskite HC(NH_2)_2PbI_3

The structural, electronic, and elastic properties of cubic HC(NH_2)_2PbI_3 perovskite are investigated by density functional theory using the Tkatchenko–Scheffler pairwise dispersion scheme. Our relaxed lattice parameters are in agreement with experimental data. The hydrogen bonding between NH_2 and I ions is found to have a crucial role in FAPbI_3 stability. The first calculated band structure shows that HC(NH_2)_2PbI_3 has a direct bandgap(1.02 eV) at R-point, lower than the bandgap(1.53 eV) of CH_3NH_3PbI_3. The calculated density of states reveals that the strong hybridization of s(Pb)–p(I) orbital in valence band maximum plays an important role in the structural stability. The photo-generated effective electron mass and hole mass at R-point along the R–Γ and R–M directions are estimated to be smaller: m_e~*= 0.06 m0 and m_h~*= 0.08 m0 respectively, which are consistent with the values experimentally observed from long range photocarrier transport. The elastic properties are also investigated for the first time, which shows that HC(NH_2)_2PbI_3 is mechanically stable and ductile and has weaker strength of the average chemical bond. This work sheds light on the understanding of applications of HC(NH_2)_2PbI_3 as the perovskite in a planar-heterojunction solar cell light absorber fabricated on flexible polymer substrates.     

CH3NH3I在制备CH3NH3PbI(3-x)Clx钙钛矿太阳能电池中的作用

利用具有钙钛矿结构的有机-无机杂化卤化物制备的太阳能电池, 由于具有溶液可加工性和高光电转换效率, 受到了广泛关注. 在目前报道的最高光电转换效率的器件中, 采用了CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x碘氯混合钙钛矿作为吸光层, 据报道在这种材料中光电子的扩散长度可以超过1 μm. 本文综述了在CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x方面现有的研究工作, 指出了薄膜制备条件的重要性, 并研究了CH₃NH₃I在PbCl₂/CH₃NH₃I热解法制备CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x吸光层中的作用. 扫描电子显微镜研究表明CH₃NH₃I加入量为PbCl₂的2倍到2.75倍时, CH₃NH₃I加入量的增加可以提高CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x吸光层的覆盖度和结晶度, CH₃NH₃I加入量进一步增加到3倍时, 形貌变化不大. X射线光电子能谱的数据证实了CH₃NH₃I加入量对覆盖度的影响, 并显示在CH₃NH₃I加入量大于PbCl₂的2.5倍以后, CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x中氯的掺入量急剧下降. 光电测试表明器件性能随CH₃NH₃I加入量增加而增加, 在CH₃NH₃I/PbCl₂为3/1时达到最高, 加入量略小于3/1对性能影响不大.     

High efficiency ETM-free perovskite cell composed of CuSCN and increasing gradient CH3NH3PbI3

To enhance device performance and reduce fabrication cost,a series of electron transporting material(ETM)-free perovskite solar cells(PSCs)is developed by TCAD Atlas.The accuracy of the physical mode of PSCs is verified,due to the simulations of PEDOT:PSS-CH₃NH₃PbI₃-PCBM and CuSCN-CH₃NH₃PbI₃-PCBM p-i-n PSCs showing a good agreement with experimental results.Different hole transporting materials(HTMs)are selected and directly combined with n-CH₃NH₃PbI₃,and the CuSCN-CH₃NH₃PbI₃ is the best in these ETM-free PSCs.To further study the CuSCN-CH₃NH₃PbI₃ PSC,the influences of back electrode material,gradient band gap,thickness,doping concentration,and bulk defect density on the performance are investigated.Energy band and distribution of electric field are utilized to optimize the design.As a result,the efficiency of CuSCN-CH₃NH₃PbI₃ PSC is achieved to be 26.64%.This study provides the guideline for designing and improving the performances of ETM-free PSCs.     

Temperature-dependent photoluminescence on organic-inorganic metal halide perovskite CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x prepared on ZnO/FTO substrates using a two-step method

Temperature-dependent photoluminescence characteristics of organic-inorganic halide perovskite CH_3NH_3Pb I_(3-x)Cl_x films prepared using a two-step method on ZnO/FTO substrates were investigated. Surface morphology and absorption characteristics of the films were also studied. Scanning electron microscopy revealed large crystals and substrate coverage. The orthorhombic-to-tetragonal phase transition temperature was~140 K. The films' exciton binding energy was 77.6 ± 10.9 meV and the energy of optical phonons was 38.8 ± 2.5 meV. These results suggest that perovskite CH_3NH_3Pb I_(3-x)Cl_x films have excellent optoelectronic characteristics which further suggests their potential usage in perovskitebased optoelectronic devices.     

溶剂对钙钛矿薄膜形貌和结晶性的影响研究

溶剂对钙钛矿太阳能电池器件有着至关重要的影响. 基于目前常用的N, N-二甲基甲酰胺(DMF)和丁内酯(GBL)溶剂, 一步溶液旋涂技术和介孔电池结构, 制备的钙钛矿薄膜的形貌、结晶性, 以及最终的器件光电转化效率存在较大的差异, 利用DMF作为溶剂, 效率仅为2.8%, 而基于GBL的电池效率可以达到10.1%. 结合SEM, HRTEM, XRD和UV等表征手段, 分析了钙钛矿从DMF溶液和GBL溶液中结晶析出的不同机理, 明确了溶剂跟PbI₂的配位作用对钙钛矿的溶解、析出过程的制约作用, 揭示了造成器件效率差异的本质原因.     

高效钙钛矿-有机本体异质结杂化串联太阳能电池

制备了一种有机铅卤钙钛矿-有机本体异质结杂化串联太阳能电池。采用紫外可见吸收光谱、原子力显微镜对薄膜形貌进行了表征。结果表明:有机本体异质结层可以有效改善钙钛矿的表面形貌, 增强了可见光的吸收。优化后的串联结构电池的短路电流可达19.14mA/cm², 开路电压为0.76V, 光电转换效率达到了6.54%。钙钛矿电池和有机本体异质结电池串联结构可以同时提高短路电流及填充因子, 二者具有较好的相容性和协同作用。     

有机阳离子对卤素钙钛矿太阳能电池性能的影响

采用第一性原理计算了CH_3NH_3PbI_3中有机部分CH_3NH_3~+和CH_3NH_3的静电特性.结果表明:CH_3NH_3~+具有强的亲电特性,CH_3NH_3的CH_3~-端具有弱亲电性,而NH_3~-端具有弱亲核性.发现在CH_3NH_3PbI_3中CH_3NH_3~+之间强静电排斥作用在相变中起着重要的作用,且在室温条件下CH_3NH_3~+在无机笼中具备活性和无序的特性,使得TiO_2/CH_3NH_3PbI_3异质结中n型TiO_2的电子通过界面扩散到CH_3NH_3PbI_3材料,并与CH_3NH_3~+结合形成CH_3NH_3,CH_3NH_3的静电特性导致在内建电场作用下更容易取向,取向的CH_3NH_3周围形成的静电场会变得更弱和更加均匀.这对无机框架上载流子的产生和传输更加有利,这样的异质结比传统的pn结具有更大优势.这是CH_3NH_3PbI_3太阳能电池高的光电转换效率的重要原因.     

Recombination luminescence mechanisms in Ba3(PO4)2

The effect of hole self-trapping in Ba₃(PO₄)₂ at low temperatures has been studied. The TSL peak at 135 K is due to hole delocalization and diffusion by thermally activated hopping between perfect lattice sites, resulting in a composite uv band, corresponding to the tunneling recombination of holes with localized electrons.     

Enhancing the photo-luminescence stability of CH3NH3PbI3 film with ionic liquids

The methylammonium lead triiodide (CH₃NH₃PbI₃)-based perovskite shows a great alluring prospect in areas of solar cells, lasers, photodetectors, and light emitting diodes owing to their excellent optical and electrical advantages. However, it is very sensitive to the surrounding oxygen and moisture, which limits its development seriously. It is urgent to spare no effort to enhance its optical and electrical stability for further application. In this paper, we synthesize the MAPbI₃ perovskite film on the glass substrate with/without the ionic liquid (IL) of 1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIMBF₄) by a simple two-step sequential solution method. The additive of BMIMBF₄ can improve the quality of crystal structure. Moreover, the photo-luminescence (PL) intensity of MAPbI₃ film with BMIMBF₄ is much stronger than the pure MAPbI₃ film after a week in the air, which is almost ten-fold of the pure one. Meanwhile, under the illumination of 405-nm continuous wave (CW) laser, the fluorescent duration of the MAPbI₃ film with BMIMBF₄ is approximately 2.75 min, while the pure MAPbI₃ film is only about 6 s. In fact, ionic liquid of BMIMBF₄ in the perovskite film plays a role of passivation, which prevents the dissolution of MAPbI₃ into CH₃NH₃ and PbI₂ and thus enhances the stability of environment. In addition, the ionic liquid of BMIMBF₄ possesses high ionic conductivity, which accelerates the electron transport, so it is beneficial for the perovskite film in the areas of solar cells, photodetectors, and lasers. This interesting experiment provides a promising way to develop the perovskite's further application.     

多元半导体光伏材料中晶格缺陷的计算预测

半导体光伏材料的发展在过去60多年中表现出了清晰的多元化趋势. 从20世纪50年代的一元Si太阳能电池, 到20世纪60年代的GaAs和CdTe电池、70年代的CuInSe₂电池、80年代的Cu(In, Ga) Se₂、90年代的Cu₂ZnSnS₄电池, 再到最近的Cu₂ZnSn(S, Se)₄和CH₃NH₃PbI₃电池, 组成光伏半导体的元素种类从一元逐渐增多到五元. 元素种类的增多使得半导体物性调控的自由度增多, 物性更加丰富, 因而能满足光伏等器件应用的需要. 但是, 组分元素种类的增多也导致半导体中晶格点缺陷的种类大幅增加, 可能对其光学、电学性质和光伏性能产生显著影响. 近20年来, 第一性原理计算被广泛应用于半导体中晶格点缺陷的理论预测, 相对于间接的实验手段, 第一性原理计算具有更加直接的、明确的优势, 并且能对各种点缺陷进行快速的研究. 对于缺陷种类众多的多元半导体体系, 第一性原理计算能预测各种点缺陷的微观构型、浓度和跃迁(离化)能级位置, 从而揭示其对光电性质的影响, 发现影响器件性能的关键缺陷. 因而, 相关的计算结果对于实验研究有直接、重要的指导意义. 本文将首先介绍半导体点缺陷研究的第一性原理计算模型和计算流程; 然后, 总结近5年来两类新型光伏半导体材料, 类似闪锌矿结构的Cu₂ZnSn(S, Se)₄半导体和有机-无机杂化的钙钛矿结构CH₃NH₃PbI₃半导体的点缺陷性质; 以这两类体系为例, 介绍多元半导体缺陷性质的独特特征及其对太阳能电池器件性能的影响.