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.     

钙钛矿太阳电池综述

基于有机-无机杂化钙钛矿材料(CH₃NH₃PbX₃)制备的太阳电池效率自2009年从3.8%增长到19.6%, 因其较高的光吸收系数, 较低的成本及易于制备等优势获得了广泛关注. 钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层, 还可用作电子和空穴传输层, 以此制备出不同结构的钙钛矿太阳电池: 介孔结构、介观超结构、平面结构、无HTM层结构和有机结构. 除此之外, 钙钛矿材料制备方法的多样性使其更具吸引力, 目前已有一步溶液法、两步连续沉积法、双源共蒸发法和溶液-气相沉积法. 本文主要介绍了钙钛矿太阳电池的发展历程、工作原理及钙钛矿薄膜的制备方法等. 详细阐述了电池每一层的具体作用和针对现有的钙钛矿结构各层材料的优化, 最后介绍了钙钛矿太阳电池所面临的问题和发展前景, 以期对钙钛矿太阳电池有进一步的了解, 为制备新型高效的钙钛矿太阳电池打下坚实的基础.     

碘化钾对两步法制备钙钛矿薄膜及其电池性能的影响

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...     

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。     

硅基异质结太阳电池新进展

非晶硅/晶体硅异质结太阳电池(SHJ)是在晶体硅上沉积非晶硅薄膜,它综合了晶体硅电池与薄膜电池的优势,具有结构简单、工艺温度低、钝化效果好、开路电压高、温度特性好、双面发电等优点,是高转换效率硅基太阳电池的热点方向之一。本文首先综述了近几年SHJ电池制造工艺技术的进步,包括臭氧清洗硅片、热丝化学气相沉积技术沉积非晶硅薄膜、透明导电薄膜沉积方法和材料的改进,以及新型金属化电极技术在SHJ电池中的应用所取得的进展。然后介绍了结合背面结技术、载流子选择性钝化接触技术的硅异质结电池以及薄型硅异质结太阳电池最新研究情况。进一步分析了与叉指式背接触技术相结合的硅异质结电池、与钙钛矿太阳电池技术相结合的钙钛矿/硅异质结两端叠层太阳电池的研究现状,指出硅基异质结太阳电池是迈向更高效率太阳电池的基石。     

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。     

无铅和少铅的有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展

基于有机-无机杂化卤化铅材料的钙钛矿太阳电池的转换效率在短短几年内已迅速突破22%,为未来能源问题的解决带来了曙光,同时也引起了高度重视.但紧随其后的商品化、产业化发展需求极大地增加了对绿色、无毒的高效无铅钙钛矿太阳电池进行研究和开发的重要性和紧迫性.为进一步加快环境友好型钙钛矿太阳电池的研发进度,对目前无铅和少铅钙钛矿太阳电池的发展现状进行了综述.着重讨论了替代元素种类及其浓度、制备工艺等对薄膜和电池性能的影响,以期对电池的工作机理、替代元素的作用机理有更加深刻的认识,为新型环保、高效的钙钛矿太阳电池的制备提供指导.     

一锅法合成四芳基吡咯并[3,2-b]吡咯空穴传输材料及其在无掺杂倒置钙钛矿太阳电池的应用（英文）

本文采用一锅法合成了四芳基吡咯并[3,2-b]吡咯有机空穴输运材料(D41、D42、D43和D44),制备出无掺杂的倒置型平面钙钛矿太阳电池.材料D41的芳环上含有甲基,具有供体-π-给体-π-供体结构;而D42、D43和D44具有受体-π-给体-π-受体结构,其中,芳环上分别含有氰基、氟和三氟甲基.研究表明,芳环上取代基对其分子表面电荷分布和空穴输运层薄膜形貌有显著影响,钙钛矿晶体颗粒的大小与空穴输运材料分子结构有关,含有氰基的材料D42最有利于形成较大的钙钛矿晶粒,这主要是由于吡咯并[3,2-b]吡咯结构具有丰富的电子性质的缘故.D42制备的倒置型平面钙钛矿太阳电池光电转换效率为17.3%,在黑暗条件下22天后,仍保留了初始效率的55%.吡咯并[3,2-b]吡咯结构具有良好的给电子特性,可作为高效钙钛矿薄膜的空穴传输材料.     

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.     

气相辅助刮刀涂布法制备钙钛矿薄膜

由于具有高效率以及可溶液法制备等优点,钙钛矿太阳能电池受到了广泛关注。溶液法制备钙钛矿薄膜通常使用旋涂法。然而,溶液旋涂法具有厚度不均匀、原料浪费严重等缺点,因而不适合制备大面积钙钛矿薄膜。目前,制备大面积均匀的钙钛矿太阳能电池仍是一项挑战。为此,本文使用一种新方法(气相辅助刮刀涂布法)来克服这一问题。该方法能够制备出大面积、高结晶度的均匀钙钛矿薄膜。此外,通过改变前驱液的浓度,能够得到不同厚度的钙钛矿薄膜。进一步研究发现,当前驱溶液浓度为1. 0 M时,可以制备出光伏性能最佳的钙钛矿太阳能电池。当电池活性面积分别为0. 112 5 cm~2和1. 0 cm~2时,在AM1. 5G(100 mW/cm~2)模拟太阳光下,其光电转化效率的最高值为17. 76%(平均效率16. 9%)和16. 3%。这为大面积钙钛矿太阳能电池的制备提供了新思路。     

十二烷二酸修饰TiO_2电子传输层改善钙钛矿太阳电池的电流特性

在经典的平面异质结钙钛矿太阳电池中,TiO_2致密层的电子传输性能一直是获得优异光伏性能的决定性因素之一.相较于spriro-OMe TAD等常见的空穴传输材料优异的空穴传输能力,作为电子传输材料的TiO_2的导电性较弱,无法形成良好的电荷匹配.为了解决这个问题,我们使用自组装的十二烷二酸(DDDA)单分子层来修饰TiO_2致密层的表面,TiO_2致密层的导电性能得到大幅提升,并且其能带结构得到优化,促进了电子传输,降低了电子积聚和载流子复合,使得电池的短路电流密度(JSC)从修饰前的20.34 mA·cm~(-2)提升至修饰后的23.28 mA·cm~(-2),进而使得电池在标准测量条件下的光电能量转换效率从14.17%提升至15.92%.同时还发现,通过DDDA修饰TiO_2致密层,所制备的器件的光稳定性显著提升,器件未封装暴露在AM 1.5光强100 mW·cm~(-2)的模拟太阳光下超过720 min,保持初始效率的71%以上且趋于稳定.     

Novel hole transport layer of nickel oxide composite with carbon for high-performance perovskite solar cells

A depth behavioral understanding for each layer in perovskite solar cells(PSCs)and their interfacial interactions as a whole has been emerged for further enhancement in power conversion efficiency(PCE).Herein,NiO@Carbon was not only simulated as a hole transport layer but also as a counter electrode at the same time in the planar heterojunction based PSCs with the program wx AMPS(analysis of microelectronic and photonic structures)-1D.Simulation results revealed a high dependence of PCE on the effect of band offset between hole transport material(HTM)and perovskite layers.Meanwhile,the valence band offset(?E_v)of NiO-HTM was optimized to be -0.1 to -0.3 eV lower than that of the perovskite layer.Additionally,a barrier cliff was identified to significantly influence the hole extraction at the HTM/absorber interface.Conversely,the ?E_v between the active material and NiO@Carbon-HTM was derived to be -0.15 to 0.15 eV with an enhanced efficiency from 15% to 16%.     

Importance of ligands on TiO_2 nanocrystals for perovskite solar cells

The fabrication of high-quality electron-selective layers at low temperature is a prerequisite to realizing efficient flexible and tandem perovskite solar cells(PSCs). A colloidal-quantum-dot ink that contains TiO_2 nanocrystals enables the deposition of a flat film with matched energy level for PSCs; however, the selection of ligands on the TiO_2 surface is still unexplored. Here, we systematically studied the effect of the titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)(TiAc_2)ligand on the performance of PSCs with a planar n-i-p architecture. We prepared TiO_2 nanocrystals from TiCl4 and ethyl alcohol with Cl~- ligands attached on its surface and we found that a tiny amount of TiAc_2 treatment of as-prepared TiO_2 nanocrystals in a mixed solution of chloroform and methyl alcohol can enhance PSC power conversion efficiency(PCE)from 14.7% to 18.3%. To investigate the effect of TiAc_2 ligand on PSCs, TiO_2 samples with different TiAc_2 content were prepared by adding TiAc_2 into the as-obtained TiO_2 nanocrystal solution. We use x-ray photoelectron spectroscopy to identify the content of Cl so as to reveal that Cl ligands can be substituted by TiAc_2. We speculate that the improvement in PCE originates from amorphous TiO_2 formation on the TiO_2 nanocrystal surface, whereby a single-molecule layer of amorphous TiO_2 facilitates charge transfer between the perovskite film and the TiO_2 electronic transport layer, but excessive TiAc_2 lowers the PSC performance dramatically. We further prove our hypothesis by x-ray diffraction measurements. We believe the PCE of PSCs can be further improved by carefully choosing the type and changing the content of surface ligands on TiO_2 nanocrystal.     

退火温度对电子束蒸发沉积Cu_2O薄膜性能的影响

近年来,钙钛矿太阳电池(PSCs)得到了迅猛发展,而无机空穴传输材料(IHTMs)的使用可进一步降低电池的成本,提高电池的稳定性.本文通过电子束蒸发制备了Cu_2O薄膜,研究了空气中退火温度及时间对薄膜组成、结构及光电性能的影响,并构筑了p-i-n反型平面异质结钙钛矿太阳电池.研究发现:由于热解作用,直接通过电子束蒸发制备的薄膜为Cu_2O和Cu的混合物;而在空气中经过退火后,由于氧化作用,随着退火温度的升高,薄膜的组分由混合物转变为纯的Cu_2O,再转变成纯的CuO.通过控制退火温度制备的Cu_2O薄膜的光学带隙约为2.5 eV,载流子迁移率约为30 cm~2·V~(-1)·s~(-1).应用于PSCs,薄膜的最佳厚度为40 nm,但电池性能低于PEDOT:PSS基的PSCs.这主要是由于钙钛矿前驱液在Cu_2O薄膜的润湿性较差,吸收层中有大量微孔洞存在,致使漏电流增强,电池的性能降低.然而,当采用Cu_2O/PEDOT:PSS双HTMs设计时,由于PEDOT:PSS对Cu_2O具有较强的腐蚀作用,使电池性能恶化.     

Surface modulation of halide perovskite films for efficient and stable solar cells

As the main distribution place of deep-level defects and the entrance of water, the interface is critical to determining both the power conversion efficiency (PCE) and the stability of perovskite solar cells (PSCs). Suitable interface design can dramatically passivate interface defects and optimize energy level alignment for suppressing the nonradiative recombination and effectively extracting the photogenerated carriers towards higher PCE. Meanwhile, a proper interface design can also block the interface diffusion of ions for high operational stability. Therefore, interface modification is of great significance to make the PSCs more efficient and stable. Upon optimized material choices, the three-dimensional halide perovskite graded junction layer, low-dimensional halide perovskite interface layer and organic salt passivation layer have been constructed on perovskite films for superior PSCs, yet a systematic review of them is missing. Thus, a guide and summary of recent advances in modulating the perovskite films interface is necessary for the further development of more efficient interface modification.     

钙钛矿薄膜钝化策略的研究进展

钙钛矿太阳能电池由于其优异的光电转化效率及成本低等优点被引入作为一种新的光伏器件。在过去的十几年内,钙钛矿太阳能电池的研究及发展尤为迅速,性能有了显著提高。然而,要使其进入光伏市场,研究者还需要做出巨大努力。这主要是由于钙钛矿薄膜自身制备的局限性,使其缺陷的存在是不可避免的,这严重影响了钙钛矿太阳能电池中载流子的数目及迁移率,从而制约了钙钛矿太阳能电池效率及稳定性的提升。本综述在对钙钛矿及其缺陷分类简单介绍的基础上,总结了近些年来钙钛矿薄膜钝化的不同策略,希望可以对钙钛矿材料领域的研究人员在选择合适钝化剂方面提供一定的参考。     

Device simulation of quasi-two-dimensional perovskite/silicon tandem solar cells towards 30%-efficiency

Perovskite/silicon (Si) tandem solar cells have been recognized as the next-generation photovoltaic technology with efficiency over 30% and low cost. However, the intrinsic instability of traditional three-dimensional (3D) hybrid perovskite seriously hinders the lifetimes of tandem devices. In this work, the quasi-two-dimensional (2D) (BA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1 (n=1, 2, 3, 4, 5) (where MA denotes methylammonium and BA represents butylammonium), with senior stability and wider bandgap, are first used as an absorber of semitransparent top perovskite solar cells (PSCs) to construct a four-terminal (4T) tandem devices with a bottom Si-heterojunction cell. The device model is established by Silvaco Atlas based on experimental parameters. Simulation results show that in the optimized tandem device, the top cell (n=4) obtains a power conversion efficiency (PCE) of 17.39% and the Si bottom cell shows a PCE of 11.44%, thus an overall PCE of 28.83%. Furthermore, by introducing a 90-nm lithium fluoride (LiF) anti-reflection layer to reduce the surface reflection loss, the current density (J_sc) of the top cell is enhanced from 15.56 mA/cm² to 17.09 mA/cm², the corresponding PCE reaches 19.05%, and the tandem PCE increases to 30.58%. Simultaneously, in the cases of n=3, 4, and 5, all the tandem PCEs exceed the limiting theoretical efficiency of Si cells. Therefore, the 4T quasi-2D perovskite/Si devices provide a more cost-effective tandem strategy and long-term stability solutions.     

基于PTB7,Bis-PC_(70)BM,PC_(70)BM的高效率有机三元太阳能电池

我们将Bis-PC_(70)BM作为第二种电子受体混入基于PTB7:PC_(70)BM的聚合物太阳能电池中,制备了三元混合聚合物太阳能电池.相比于PC_(70)BM,Bis-PC_(70)BM的最低未占分子轨道(lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)能级更高,所以掺入Bis-PC_(70)BM后器件的开路电压(V_(oc))得到了提升.Bis-PC_(70)BM在PTB7和PC_(70)BM之间起到桥梁的作用,因此在给体/受体界面创造了更多的电荷传递通道.而且从原子力显微镜中得到的结果来看,当混入质量比为3%的Bis-PC_(70)BM后薄膜的表面形貌更为平整,平均粗糙度从原来的1.87 nm降到了1.80 nm.能量转换效率(power conversion efficiency,PCE)达到7.00%,其中器件的V_(OC)为0.77 V,短路电流(J_(SC))为13.92 mA·cm~(-2),比PTB7:PC_(70)BM的器件效率6.07%提高了15%.     

Non-peripherally octaalkyl-substituted nickel phthalocyanines used as non-dopant hole transport materials in perovskite solar cells

This report presents two non-perihperally octaalkyl-substituted nickel phthalocyanines (NiPcs), namely, NiEt₂Pc and NiPr₂Pc, for use as dopant-free hole transport materials in perovskite solar cells (PSCs). The length extension of the alkyl chains from ethyl to propyl significantly tunes the NiPcs' energy levels, thus reducing charge carrier recombination at the perovskite/hole transport layer (HTL) interface and leading to higher open-circuit voltage (V_OC) and short-circuit current density (J_SC) observed for the NiPr₂Pc-based PSC. And higher charge carrier mobility, higher thin film crystallinity, and lower surface roughness of the NiPr₂Pc HTL compared with that of the NiEt₂Pc one also lead to higher J_SC and fill factor (FF) observed for the NiPr₂Pc-based device. Consequently, the NiPr₂Pc-based PSC exhibits a higher power conversion efficiency (PCE) of 14.07% than that of the NiEt₂Pc-based device (8.63%).