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.     

TiO2光学间隔层增强聚合物太阳能电池光吸收的分析

基于共轭聚合物给体材料聚3-己基噻吩（P3HT）和富勒烯衍生物受体材料（6,6）-苯基-C61（PCBM）共混的体异质结结构的聚合物太阳能电池因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度,从而影响了器件对入射光的吸收、在聚合物功能层和反射电极间插入TiO₂光学间隔层可以使器件内电场重新分布并改善器件的光吸收.基于薄膜传递矩阵法计算了不同的P3HT:PCBM功能层厚度和TiO₂插入层厚度的器件内光电场和光吸收.理论分析证明:器件结构为铟锡氧化物（ITO）（100 nm）/聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐PEDOT:PSS（40 nm）/P3HT:PCBM/TiO₂/LiF（1 nm）/Al（120 nm）时,插入10 nm厚的TiO₂膜层可以使器件的聚合物功能层厚度在减薄25 nm的同时增加16.3%的光子吸收数,并且不明显降低功能层的激子分离概率,即功能层和TiO₂光学间隔层厚度分别约为75和10 nm时的器件性能为宜,此结果通过器件性能实验得以证实.     

NaTFSI界面修饰对平面TiO_(2)基钙钛矿太阳能电池的影响EI北大核心CSCD

在钙钛矿太阳能电池(PSCs)中,光吸收钙钛矿层夹在电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)之间。钙钛矿层与电荷传输层之间的界面复合被认为是诱发器件电压损失的主要原因。通过对电荷传输层的修饰,不仅可以提高其电荷传输性能,而且还可以钝化界面缺陷,从而提高电池的光电转换效率(PCE)和稳定性。通过在平面二氧化钛层上引入一层双(三氟甲基磺酰基)亚胺钠(NaTFSI)来修饰二氧化钛ETL和钙钛矿之间的界面。实验结果显示,利用NaTFSI界面层修饰二氧化钛ETL不仅可以增大上层钙钛矿晶粒尺寸大小,减少晶界从而降低界面载流子复合;而且NaTFSI修饰后的ETL导电性增强,功函数降低。最后,通过优化NaTFSI界面层,实现了器件效率从18.62%至19.83%的显著提升。     

PTCDI-C8作为阴极修饰层提高钙钛矿太阳能电池的性能

采用N,N'-二正辛烷基-3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺（PTCDI-C₈）对钙钛矿电池电子传输层（PCBM）进行界面修饰以减少PCBM与Al电极之间的漏电流,提高阴极的电子收集效率。通过调节PTCDI-C₈薄膜的厚度优化界面接触和电子传输性能。实验结果表明：当PTCDI-C₈薄膜的厚度为20 nm时得到的器件性能最优。光电转换效率（PCE）由5.26%提高到了8.65%,开路电压（V_oc）为0.92 V,短路电流（J_sc）为15.68 mA/cm²,填充因子（FF）为60%。PTCDI-C₈能够有效阻挡空穴向阴极传输,同时PTCDI-C₈具有较高的电子迁移率以及较高的稳定性,在增加电子传输的同时,可减少环境对PCBM的侵蚀,提高了器件的稳定性。     

聚偏氟乙烯添加剂提高CsPbBr3钙钛矿太阳能电池性能

全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池因其优良的特性而受到广泛关注,但是钙钛矿层具有带隙宽、结晶性较差、表面缺陷较多和水分稳定性差等缺点,严重制约了全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池性能的提高和商业化发展.本文以无空穴传输层的碳基CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池作为控制组,在PbBr₂前躯液中引入具有丰富疏水F离子的聚偏氟乙烯(polyvinylideine fluoride,PVDF)作为添加剂,调节CsPbBr₃钙钛矿薄膜的生长过程,改善晶体结构和薄膜形态,降低缺陷密度及非辐射复合几率.结果表明,PVDF处理后钙钛矿器件的光伏性能得到了显著改善,光电转换效率提高至8.17%.并且在无封装条件下保存1400 h后,光电转换效率仍可保持90%以上.这表明适量添加PVDF可以有效提高CsPbBr₃薄膜质量及器件性能.本工作对进一步拓展CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池的优化设计思路具有重要意义.     

NaTFSI界面修饰对平面TiO2基钙钛矿太阳能电池的影响

在钙钛矿太阳能电池(PSCs)中,光吸收钙钛矿层夹在电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)之间.钙钛矿层与电荷传输层之间的界面复合被认为是诱发器件电压损失的主要原因.通过对电荷传输层的修饰,不仅可以提高其电荷传输性能,而且还可以钝化界面缺陷,从而提高电池的光电转换效率(PCE)和稳定性.通过在平面二氧化钛层上引入一...     

EDTA/SnO2双层复合电子传输层在钙钛矿电池中的应用

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池器件因其高效率受到广泛关注,而界面问题是制备高效钙钛矿太阳能电池的关键问题之一.本文研究了一种高效的乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid, EDTA)/SnO₂双层复合结构,将超薄的EDTA层与ITO(锡-铟氧化物)电极接触, SnO₂层与钙钛矿界面接触,作为电子传输层(ETL)用于制备钙钛矿太阳能电池.有趣的是,复合ETL的顶部SnO₂侧的表面形态可以通过调整下面的EDTA层来进行微调.通过调整EDTA膜厚,可以调控钙钛矿层结晶过程中的成核过程,调节了电子传输层与钙钛矿层之间的载流子提取过程.本文中制备的钙钛矿太阳能电池的回滞效应可以忽略,并且经过第三方认证,已经实现了20.2%的能量转换效率.     

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...     

甲脒碘化铅单晶基钙钛矿太阳能电池的研究

近年来,CH(NH₂)₂PbI₃(FAPbI₃)由于其带隙接近理想值而受到了广泛关注,成为钙钛矿太阳能电池中最具吸引力的光电功能材料.然而由碘甲脒(FAI)和碘化铅(PbI₂)作为前驱体制备的传统钙钛矿层化学计量比不精准,缺陷密度大,稳定性差且结晶度较低,导致钙钛矿太阳能电池性能很难进一步提高.本文采用FAPbI₃单晶制备的钙钛矿薄膜具有高结晶度,高稳定性,精确的化学计量比和低缺陷密度.单晶钙钛矿薄膜的晶粒尺寸大,晶界少,导致晶界处缺陷较少,提高了钙钛矿太阳能电池的短路电流密度(J_SC)和开路电压(V_OC),使其光电转换效率有了大幅度的提高.本文为制备高稳定性、高结晶度和低缺陷密度的钙钛矿太阳能电池提供了一种有效策略.     

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

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CH₃NH₃PbI₃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CH₃NH₃PbI₃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。     

基于传输矩阵法的聚合物太阳能电池光学性能分析

采用基于传输矩阵法的光学模型及Matlab软件,模拟了以聚合物P3HT:PCBM为活性层的倒装太阳能电池,并分析了模拟电池的吸光率及其内部光电场分布。探讨了厚度、入射角度以及新结构对电池光学性能的影响。模拟结果表明,电池的光吸收主要由活性层厚度决定,分别随着电子传输层和空穴传输层厚度的增加而下降。当光入射角度增大时,由于光程的增加电池的吸光率随之增加,在40°入射角时达到最大;由于其他光学作用,器件吸光率在40°入射角以后反而降低;证明了光斜入射时电场在整个器件中分布是不连续的。通过在基本结构的适当位置插入一层薄膜构成的微腔器件,由于光学共振效应能够有效提高电池的光吸收。     

氯掺杂甲胺基钙钛矿电池的性能及其改进

金属卤化物钙钛矿由于其高吸收系数、长距离载流子扩散长度和可调带隙,近年来在太阳能电池等光电器件中得到了广泛应用,有望实现商业应用.甲胺铅碘(MAPbI₃)作为一种标准的钙钛矿化合物组分已得到了充分的研究,然而,湿化学法制备的多晶薄膜由于其低形成能通常会产生较多的晶体缺陷(包含界面和晶界处缺陷),这是导致相变的一个重要原因,因此降低材料中的缺陷密度是提高钙钛矿稳定性的一个重要手段.虽然缺陷钝化是制备高效钙钛矿太阳能电池最常用的方法之一,但是分子钝化基团与钙钛矿晶体之间相对较弱的二次键可能会给实际设备的应用带来困难,特别是在高温、潮湿和紫外线(UV)光等恶劣环境下操作时.另一种策略是通过调控卤化物组成来提高其本征结构稳定性.本文以氯甲胺(MACl)和碘化铅(PbI₂)作为前驱体通过一步旋涂法制备了两相钙钛矿(MAPbI₂Cl).结果表明,氯离子掺杂替代部分碘离子可以更好地诱导钙钛矿结晶,进而稳定MAPbI₃晶格.经过Cl掺杂的钙钛矿层表现出更低的缺陷态密度,对比于原始薄膜, Cl的载流子寿命增加了7倍,...     

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.     

镀膜法改善有机薄膜太阳能电池光学性能

有机活性材料的低载流子迁移率使得有机光伏电池的电极收集到的电荷较少。增加活性层光吸收能够增加激子的产生数从而增加电极收集到的电荷,提升器件的性能。通过对器件模拟的方法,研究以P3HT：PCBM为活性层的薄膜太阳能电池的光学性能。 在此基础上,提出采用镀多层高反射膜的方法改善电池器件的光学性能。结果表明：活性层厚度对电池器件的光吸收起到主导作用;镀多层高反射膜在活性层厚度小于160 nm、Ag厚度小于20 nm时能大幅度改善电池器件的光学性能,光生激子总数随活性层厚度的增加而迅速增多,并且在活性层厚度约为150 nm时为一个最佳值。     

纳米成核点辅助结晶对钙钛矿光电探测器性能的影响

有机无机杂化钙钛矿材料因具有可调节的带隙宽度、优异的载流子传输性能、可低温溶液法制备等优点,近年来在光电器件的应用研究上受到了广泛的关注.对于平面光电导型探测器,电荷在两电极之间需横穿钙钛矿层,由于钙钛矿晶体的形成能较低,在晶界和薄膜表面易产生缺陷,光生载流子被缺陷阻挡而加剧激子的非辐射复合,造成器件光电性能下降.本文通过在钙钛矿界面层下方引入微量的氧化石墨烯纳米片作为钙钛矿晶体的有效成核点,使得钙钛矿晶体可依附于氧化石墨烯形核,降低钙钛矿晶体成核势垒的同时与钙钛矿形成铅-氧键,最终获得晶体颗粒增大、晶界数量减少、薄膜致密的钙钛矿层.由于氧化石墨烯在玻璃基底上的含量极低,大片玻璃基底裸露并与钙钛矿直接接触,因此钙钛矿层应视为制备在玻璃基底上.在氧化石墨烯纳米片的影响下钙钛矿与玻璃基底的接触更为紧密,有效降低界面间的激子非辐射复合概率,提高了界面间电荷传输性能.最终,在氧化石墨烯纳米片最优制备参数的影响下,钙钛矿光电探测器光电流相比空白对照器件提高了1个数量级,在3 V偏压下的开关电流比为5.22×10³,并且最优的光电探测器的光响应速度明显提高,上升时间为9.6 ...     

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.     

基于模板剥离法制备高性能钙钛矿单晶薄膜光电探测器

近年来,杂化钙钛矿半导体材料由于其带隙可调、吸收系数高、载流子迁移率高、成本低廉等诸多优点,在光电器件领域备受青睐,如太阳能电池、电致发光器件、光电探测器等。其中,钙钛矿单晶薄膜因其无晶界、杂质和缺陷含量低等特点,展现出更为优异的光学、电学特性,成为制备高性能光电器件的理想材料体系。然而,钙钛矿单晶薄膜常采用空间限域法直接生长在空穴传输层上,不可避免地将导致界面缺陷和载流子层间输运等问题,严重制约了钙钛矿单晶薄膜光电探测器的性能。为此,本文通过引入模板剥离法工艺技术,在钙钛矿单晶薄膜两侧分别蒸镀功能层材料,制备了结构为Cu/BCP/C₆₀/MAPbBr₃/MoO₃/Ag的钙钛矿单晶薄膜光电探测器。基于模板剥离法,两侧蒸镀的功能层与钙钛矿单晶薄膜接触紧密,将有效改善载流子的注入和传输;同时,优化的器件结构以及考虑能带匹配等因素可实现高灵敏、响应快速的钙钛矿单晶薄膜光电探测器。改进后器件的开关比高达3.1×10³,响应度可达7.15 A/W,探测率为5.39×10¹² Jones,...     

在电子传输层中添加PVK提高钙钛矿太阳能电池的性能

为了探究PVK对倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池电子传输层的影响,向电子传输层PCBM中添加了一种富电子的聚乙烯基咔唑(PVK).采用原子力显微镜、PL光谱对薄膜进行了表征.实验结果表明:少量PVK的添加提高了覆盖在钙钛矿薄膜上PCBM层的平整度.当PVK的添加质量分数为4%时得到最佳器件效率,相比于纯PCBM作为电子传输层的器件,器件效率由(5.11±0.14)% 提升到(9.08±0.46)%.当PVK的添加质量分数大于4%时,粗糙度又趋于变大.PL光谱显示,少量PVK的加入使钙钛矿/电子传输层薄膜的PL强度降低,并使PL峰蓝移.研究表明:向PCBM中掺杂适量PVK能够改善钙钛矿/电子传输层/Al的界面接触,减少漏电流,并能够减少钙钛矿表面陷阱和晶界缺陷,减少电荷复合,从而提高了器件性能.     

原子层沉积金属氧化物缓冲层制备高性能大面积钙钛矿太阳电池

研制具有较大活性面积的钙钛矿太阳电池对领域面向产业化的发展具有重要意义.当前,大面积钙钛矿太阳电池的性能与小面积钙钛矿太阳电池之间仍存在较大差距.本文提出一种在透明导电薄膜衬底上预先原子层沉积TiO₂薄层的策略,有效避免了衬底局部突起与钙钛矿吸光层直接接触导致的漏电现象,提升了小面积器件制备工艺的重复一致性.改善的电子输运和光管理过程也提高了小面积器件的效率.更重要的是,本文基于原子层沉积的TiO₂开展了0.5 cm²大面积钙钛矿太阳电池的研究,通过优化TiO₂层的厚度,研制出光电转换效率高达24.8%的冠军器件(第三方认证效率24.65%),器件的制备工艺也表现出较好的重复性.此外,原子层沉积了TiO₂缓冲层的电池器件在氮气氛围下存储1500 h后仍然能够保留初始性能的95%以上.总之,在粗糙衬底上预先原子层沉积TiO₂薄层可以有效抑制局部漏电通道的产生,有利于制备高性能的大面积钙钛矿太阳电池.     

缓冲层提高有机聚合物光伏电池性能研究

在分析有机聚合物复合体光伏电池机理及等效电路模型基础上,研究了界面旋涂缓冲层对聚合物给体/受体复合体结构光伏器件性能的影响.制备了基于P3HT/PCBM的给体 受体复合体薄膜有机光伏电池,并分别在有机活性层和ITO基底之间以及有机活性层和电极之间插入TFB和F8BT缓冲层.实验证明：在ITO和活性层之间旋涂TFB作为阳极缓冲层,可增加有机聚合物光伏器件的短路电流,在活性层和电极之间插入F8BT作为阴极缓冲层,可增大光伏器件的开路电压,提高器件的转换效率.