铁电半导体耦合光伏器件的历史与最新进展

本文介绍了新型铁电-半导体耦合光伏器件的发展历史和现状, 阐述了所观察到的非经典行为, 即开路电压在直流偏置电场控制下的迟滞的现象. 将之与含有光诱导偶极子场的有机光伏器件和量子点电池、压电光电子器件、铁电光伏器件、钙钛矿电池等进行比较, 发现偶极子极化电场在多种光伏器件中均存在, 甚至可能起到主导作用. 因此, 提出了偶极子场半导体器件的概念, 期望从更广义的范围涵盖结场型器件和非结场型偶极子器件, 为促进光伏发电领域更多的创新提供思路.     

钙钛矿铁电半导体的光催化研究现状及其展望

钙钛矿材料可以分为ABO_3氧化物和或I)卤化物两大类,它们都具有丰富的物理性质和优异的光电性能,比如铁电性和光催化性能.本文介绍了和等铁电半导体光催化材料和异质结的制备方法,总结了它们在光电催化方面的研究进展.目前研究者已经针对氧化物光催化材料做了各种研究,包括:降低吸光层铁电材料的带隙,制备铁电/窄带半导体吸光层异质结,制备比表面积很大的纳米片、纳米棒或者其他纳米结构,以便吸收更多可见光;让铁电极化及其退极化场垂直于光催化工作电极表面,通过铁电/半导体异质结能带弯曲提供内电场,通过外电场进行光电催化,从而通过内、外电场高效分离光生-电子空穴对;通过光催化或者光电催化降解染料、分解水制氢、将CO2转换为燃料;通过铁电、热释电和压电协同效应提高催化效应和能量转换效率等卤素钙钛矿具有优异的半导体性质,其铁电性可能是引起超长的少数载流子寿命和载流子扩散长度的原因.通过优化光催化多层膜结构并添加防止电解液渗透的封装层可以避免被电解液分解,从而制备了具有很高能量转换效率的光电催化结构.最后,我们分析和比较了这些钙钛矿铁电半导体在光电催化领域面临的挑战,并展望了其应用前景.     

室内光伏的应用前景与挑战

社会的发展离不开能源的发现与创造,光伏能源的多形式运用在能源领域大放异彩,室 内光伏器件逐渐成为大家所关注的热点。室内光伏IPV (Indoor photovoltaics) 作为低照度条件 下的电源,可以满足低功率电子器件的工作要求。本文主要比较了基于硅、染料、III-V 族半导 体、有机化合物和卤化物钙钛矿这些不同类型的IPV 器件。得益于卤化物钙钛矿活性层具有优 异的光物理特性,钙钛矿光伏具有成为高性能室内光伏器件的潜力。与此同时也讨论了室内光伏 的局限性。最后,提出了制备生产高效率、无毒、稳定的钙钛矿室内光伏器件的解决方案以及未 来应用展望。     

串口型铁电存储器总剂量辐射损伤效应和退火特性

对一款商用串口I2C型铁电存储器进行了⁶⁰Coγ 辐射和退火实验, 研究了铁电存储器的总剂量效应和退火特性. 使用了超大规模集成电路测试系统测试了铁电存储器的DC, AC, 功能参数, 分析了辐射敏感参数在辐射和退火过程中的变化规律. 实验结果表明: 总剂量辐射在器件内产生大量氧化物陷阱电荷, 造成了铁电存储器外围控制电路MOS管阈值向负向漂移, 氧化物陷阱电荷引入附加电场使铁电薄膜受肖特基发射或空间电荷限制电流的作用, 产生辐射感生漏电流. 由于浅能级亚稳态的氧化物陷阱电荷数量上多于深能级氧化物陷阱电荷, 使得器件功能和辐射敏感参数在常温退火过程中快速恢复. 关键词： 铁电存储器 总剂量辐射 退火特性     

光栅结构减反膜在钙钛矿太阳能电池上的应用

钙钛矿太阳能电池作为新型的光伏器件目前获得了广泛的关注,其光电转换效率不断提高.钙钛矿电池的光电转换性能除了和钙钛矿薄膜的光电性能有密切关系之外,还受到器件的结构、界面、光学设计等方面的影响.研究了钙钛矿电池的表面光学特性,在电池表面引入一层减反薄膜,从而降低光线在表面的反射损失,以期提高电池的转换效率.通过研究薄膜微...     

钙钛矿型氧化物非常规铁电研究进展

钙钛矿型氧化物因具有丰富的磁性、铁电、力学和光学等诸多功能属性,在电子信息通信材料器件领域中有广阔的应用前景.在各种物理性质之中,铁电极化因其产生机制多样,并能与磁性和晶格应变相互耦合形成多铁性等特点,近十多年来一直被作为凝聚态物理研究的国际热点问题.与以自发极化作为初级序参量的常规铁电材料不同,非常规铁电材料中的铁电极化是被其他的序参量诱导而产生的.本综述围绕无机钙钛矿型氧化物非常规铁电体的研究进展进行了总结.回顾了该体系经典唯象理论和原子尺度的微观模型,有序排列的人工钙钛矿超晶格型结构,以及稀土正铁氧体单晶的反铁磁畴壁结构中非常规铁电的极化强度大小及其诱导机制,为系统理解非常规铁电提供了理论途径.     

全无机钙钛矿CsPbX_3热稳定性研究进展

凭借高量子效率、带隙可调、制备简单、高吸光系数和高耐缺陷性的优点,全无机钙钛矿(CsPbX_3,X=Cl,Br,I)材料在光电和光伏器件领域展现出较出色的应用前景。然而,现有材料热稳定性的不足降低了这些应用的耐久性和可靠性。本综述从全无机钙钛矿材料温度相关的热分解过程入手,有针对性地阐述了全无机钙钛矿热稳定性增强策略,并展示了迄今报道的高可靠性全无机钙钛矿光电和光伏器件的性能参数和应用领域。最后对今后发展热稳定全无机钙钛矿材料存在的机遇进行了展望。     

钙钛矿反铁电氧化物的研究进展

反铁电材料,因其电场诱导的反铁电–铁电相变行为,而在当代电子技术中有着潜在的应用价值。然而,自然界中存在的反铁电材料是相当稀缺的,人们对它的认识与理解有限,其亚晶格极化、有序结构、局域结构及其对性能的影响依然是目前学术争辩的热点话题。为应对全球日益剧增的大气污染状况和人类健康所面临的潜在威胁,"环境友好"的无铅材料已然成为近些年来全球科学家与工程师们关注的焦点。本文介绍了"反铁电"的概念、定义、结构与电学性质特点以及反铁电体的应用。综述了自1951年"反铁电"概念被提出以来,人们在钙钛矿结构中陆续发现的反铁电氧化物及其晶体结构和电学性质的研究进展,从晶格动力学角度对钙钛矿氧化物反铁电性起源问题做了评论。期望通过微观结构设计的角度为无铅反铁电材料的开发提供新的思路。     

Au-BiFeO_3纳米复合薄膜的电学和光伏性能优化

存在对称性破缺引起的自极化及通过外界刺激可以改变其极化状态的铁电薄膜,是一类重要的光电功能材料.铁电薄膜的光伏效应在光探测、能量转换和非易失性存储等领域表现出了潜在应用前景.针对铁电薄膜光电流密度较小,且存在退极化现象导致的光伏性能退化问题,有必要寻求提高薄膜自极化的新途径,并对其导电性进行调控,进一步优化铁电薄膜的光伏性能.本文采用溶胶-凝胶法在FTO导电玻璃上沉积了Au纳米粒子弥散分布在铁酸铋(BiFeO_3, BFO)薄膜中的Au-BFO纳米复合薄膜,研究了Au含量(0, 0.25 mol%,0.5 mol%, 1 mol%和3 mol%)与此复合薄膜微观组织、电学和光伏性能的关系,以确定Au的最佳添加量.压电力显微镜的测量结果表明, Au含量为0.5 mol%时, Au-BFO纳米复合薄膜具有较强的自极化现象.随着Au含量的增大, Au-BFO纳米复合薄膜的导电机制由肖特基发射模型转变为空间电荷限制电流.对复合薄膜的光伏性能进行测试,结果表明Au含量为0.5 mol%时, Au-BFO纳米复合薄膜的开路电压和短路电流分别是BFO薄膜的近3和5倍. Au-BFO纳米复合薄膜光伏效应的改善主要来源于复合薄膜的自极化现象增强和导电机制转变.本文提拱了一种简单有效的改善铁电薄膜光伏效应的方法,为进一步理解铁电薄膜的光伏效应提供了新的视角.     

人工合成二维铁电金属

自从Anderson和Blount提出钙钛矿“铁电金属”以来,人们在研究其物理机制和设计新的铁电金属方面做出了很大努力。由于金属中的净电场可以被自由电子完全屏蔽,因此铁电性与金属性在体相中不能共存。然而,众多研究表明低维材料具有许多与体相材料相悖的奇异特性和新颖的量子态。研究团队提出通过施加一个强的极化场,以铁电/单层氧化物金属超晶格的形式人工合成铁电金属。这样,原子层级氧化物导电层的对称性可以被邻近的极化场打破和操纵,从而形成二维“铁电金属”。     

低维铁电材料研究进展

铁电材料是一类重要的功能材料,铁电元件的小型化、集成化是当今铁电材料发展的一大趋势.但是尺寸效应、表面效应等的存在制约了传统块体铁电材料在纳米尺度下的应用,因而低维度纳米材料中的铁电性能研究成为当前材料科学领域的研究热点之一.本文综述了近年来理论和实验上关于低维铁电材料的探索,包括二维范德瓦耳斯层状铁电材料、共价功能化低维铁电材料、低维钙钛矿材料、外界调控以及二维"铁电金属"等材料的理论预言与实验铁电性的观测;也提出一些物理新机制来解释低维下的铁电性;最后对该领域今后的发展进行了展望.     

平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展

高效低成本太阳电池的研发是太阳能光伏技术大规模推广应用的关键. 近年来兴起的有机- 无机杂化钙钛矿(以下简称钙钛矿)太阳电池因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点, 引起了学术界和产业界的广泛关注, 具有广阔的发展前景. 其中平面异质结钙钛矿太阳电池因具有结构简单, 可低温制备等诸多优点, 成为目前研究的一个重要方向. 平面异质结钙钛矿太阳电池分为n-i-p型和p-i-n型两种结构. 其中钙钛矿分别与电子传输层和空穴传输层形成两个界面, 在这两个界面上实现电子和空穴的快速分离. 电子传输层和空穴传输层分别为电子和空穴提供了独立的输运通道. 平面异质结结构有利于钙钛矿太阳电池中电子和空穴的分离、传输和收集. 此外, 该结构不需要高温烧结的多孔结构氧化物骨架, 扩大了电子和空穴传输材料的选择范围. 可以根据钙钛矿材料的能带分布及载流子传输特性, 来选择能级和载流子传输速率更为匹配的传输材料. 本文对钙钛矿的材料特性, 平面异质结结构的由来及发展进行了简要的概述. 其中重点介绍了平面异质结钙钛矿太阳电池的结构特征、工作机理、钙钛矿/电荷传输层的界面特性, 以及电池性能的优化, 包括钙钛矿薄膜制备、空穴和电子传输层的优化等. 最后对钙钛矿电池的发展前景及存在问题进行了阐述, 为今后高效、稳定钙钛矿太阳电池的研究提供参考.     

Nano Ag-enhanced photoelectric conversion efficiency in all-inorganic,hole-transporting-layer-free CsPbIBr2 perovskite solar cells

All-inorganic, hole-transporting-layer-free CsPbIBr₂ perovskite solar cells have great potential for development, but their device performance needs to be further improved. Recently, metal nanostructures have been successfully applied in the field of solar cells to improve their performance. Nano Ag-enhanced power conversion efficiency (PCE) in one CsPbIBr₂ perovskite solar cell utilizing localized surface plasmons of Ag nanoparticles (NPs) on the surface has been researched experimentally and by simulation in this paper. The localized surface plasmon resonance of Ag NPs has a near-field enhancement effect, which is expected to improve the light absorption of CsPbIBr₂ perovskite photovoltaic devices. In addition, Ag NPs have a forward-scattering effect on the incident light, which can also improve the performance of CsPbIBr₂-based perovskite photovoltaic devices. By directly assembling Ag NPs (with a size of about 150 nm) on the surface of fluorine-doped tin oxide it is found when the particle surface coverage is 10%, the CsPbIBr₂ perovskite photovoltaic device achieves a best PCE of 2.7%, which is 9.76% higher than that of the control group. Without changing any existing structure in the ready-made solar cell, this facile and efficient method has huge applications. To the best of our knowledge, this paper is the first report on nano Ag-enhanced photoelectric conversion efficiency in this kind of CsPbIBr₂ perovskite solar cell.     

Crystalline ferroelectrics with a glassy polarization phase

It is found that, far above the ferroelectric transition temperature, T_c, certain ferroelectric systems show a temperature dependent index of refraction, n(T), that is qualitatively different from ordinary ferroelectrics. We review measurements in these systems and show how some aspects of this n(T) data can be quantitatively understood. This is done by considering the polarization in these materials to arise from very small localized clusters of a few unit cells far above T_c. The strongly broken long range symmetry allows these effects to occur. Furthermore, we find a one-to-one correspondence between ferroelectrics that show this unusual high temperature behavior and those that show glass-like excitations at very low temperatures; this clarifies the ambiguities in the low temperature heat capacity and thermal conductivity results.     

新型空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的研究进展

钙钛矿太阳能电池是一种全新的全固态薄膜电池. 报道的能量转换效率已提高到19.3%, 成为可再生能源领域的热点研究方向. 空穴传输材料是构成高效钙钛矿太阳能电池的重要组分之一. 本文介绍了钙钛矿太阳能电池的基本结构, 对空穴传输材料的分子结构、能级水平和迁移率等对电池性能的影响进行了详细的总结和评述.     

Compositional inversion symmetry breaking in ferroelectric perovskites

Cubic perovskite compounds of the form (A(1/3)A(')(1/3)A(")(1/3))BO3 and A(B(1/3)B(')(1/3)B(")(1/3))O3, in which the differentiated cations form an alternating series of monolayers, are studied using first-principles methods. Such compounds are representative of a possible new class of materials in which ferroelectricity is perturbed by compositional breaking of inversion symmetry. For isovalent substitution the ferroelectric double-well potential becomes asymmetric, so that minority domains may no longer survive. The symmetry breaking is enormously stronger for heterovalent substitution; here the double-well behavior is destroyed. Tuning between these behaviors may allow for the optimization of desired materials properties.     

Stability issues of the next generation solar cells

Polymer, perovskite, and dye‐sensitized solar cells (DSSCs) are promising technologies for next generation low cost photovoltaic cells. Among these, perovskite solar cells are the newest technology and have the highest efficiency, while DSSCs are closest to commercialization with several companies producing the DSSC materials and modules and existing DSSC installations. However, all three types of solar cells share a concern about lifetime and stability. For each type of devices, there are specific concerns and degradation mechanisms, and all of the devices require encapsulation and exhibit varying degrees of sensitivity to moisture, oxygen, elevated temperature and UV illumination depending on the device structure and materials used. We are discussing the stability and lifetime for each type of cells and future outlook of these technologies. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim)     

新型碳材料在钙钛矿太阳电池中的应用研究进展

新型碳材料如石墨烯及其氧化物、碳纳米管、富勒烯及石墨炔等因其优异的热学、力学、电学、光学性能成为了钙钛矿太阳电池研究的又一亮点. 本文总结了新型碳材料在钙钛矿太阳电池对电极、电子传输材料及空穴传输材料中的研究进展, 新型碳材料的引入有效地提高了钙钛矿电池的性能, 为下一步新型碳材料的应用开发以及钙钛矿电池器件的研究提供了新的思路.     

影响杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的因素探讨

自从2009年首次报道采用有机-无机杂化钙钛矿作为吸光材料用于太阳能电池以来, 钙钛矿太阳能电池效率的快速提升引起了人们广泛的关注, 这类电池同时具有制备工艺简单、成本低廉等优点, 引发了钙钛矿电池的研究热潮. 目前研究工作大多数集中在如何提高电池的光电转化效率, 但钙钛矿电池要真正实现产业化应用, 急需要解决材料及器件的稳定性问题. 本文探讨影响钙钛矿材料及器件的稳定性因素, 从温度及湿度等方面分析了材料的稳定性, 从传输材料及其界面问题讨论了器件的稳定性.