钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展

有机-无机杂化的卤素钙钛矿材料在2009年首次应用在光伏器件中, 而后有关此类型太阳能电池的报道数量呈井喷式增长. 至2014年5月钙钛矿电池光电转化效率已接近20%, 已超过有机及染料敏化太阳能电池的效率, 且有望达到单晶硅太阳能的水平, 成为光伏发电领域中的希望之星. 在钙钛矿电池中, 电子传输材料与吸收层的电子选择性接触对提高光电转化效率起到重要作用, 尤其在正置结构器件中, 电子传输层的介观结构直接影响钙钛矿的生长情况. 同时, 电子传输层的化学性质及其界面也会对电池的稳定性和寿命产生影响. 本文总结了电子传输材料在该类电池中的研究现状和热点, 并按材料的化学组分不同, 将电子传输材料分为三类: 金属氧化物、有机小分子和复合材料, 详细地介绍了电子传输材料在钙钛矿太阳能电池中的作用和近来的最新进展.     

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.     

赝卤素阴离子工程在钙钛矿太阳能电池中的应用研究进展

金属卤化物钙钛矿太阳能电池已经能够实现25.7%的认证光电转化效率，接近于晶硅太阳能电池26.7%的最高认证效率。众所周知，ABX3钙钛矿材料的晶体结构组分工程在实现高效和稳定的器件方面发挥着关键作用，尤其是近几年受到研究人员广泛关注的X位卤素阴离子组分工程。最近，研究人员在引入赝卤素阴离子作为钙钛矿晶体的掺杂组分、前驱体添加剂、薄膜后处理材料、电荷传输材料、界面钝化剂以及改性剂等方面开展了多项研究工作，结果证明赝卤素离子修饰是提高器件效率和稳定性的重要策略。本综述详细对比和总结了目前可用于钙钛矿太阳能电池的多种类型的赝卤素离子，并对其影响钙钛矿晶体薄膜形貌、光电特性、载流子迁移特性和器件光伏特性及稳定性等方面的深入机理和作用本质进行了深入总结。同时，本文还对目前尚未被探索开发的赝卤素离子进行了展望和分析，以期在未来研究中能有效促进钙钛矿太阳能电池光伏特性的提升。     

有机无机杂化固态太阳能电池的研究进展

近年来, 由于钙钛矿材料优良的光学吸收和电荷传导特性, 有机无机杂化固态太阳能电池取得了突破性的进展. 自2009年首次报道了光电转换效率为3.8%的钙钛矿太阳能电池以来, 该类电池的效率不断突破. 基于介孔薄膜的电池已取得了超过16.7%的认证光电转换效率, 基于平板异质结结构电池光电转换效率达到19.3%, 已接近传统硅基太阳能电池的光电转换效率. 本文将介绍有机无机杂化钙钛矿作为光电材料的光学物理结构特性, 以及在固态太阳能电池中的应用. 基于固态钙钛矿太阳能电池结构上的差异, 分别介绍其在多孔结构、平板异质结结构、柔性结构以及无空穴传导材料结构电池工作特性和各自优势, 以及影响电池特性的主要影响因素, 特别是钙钛矿成膜控制等. 并阐述对钙钛矿电池的理解和进一步提高固态钙钛矿电池光电转换效率需要关注的重点以及展望.     

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.     

新型高效聚合物/富勒烯有机光伏电池研究进展

有机聚合物/富勒烯本体异质结光伏电池以其不断提高的能量转换效率受到了研究人员的广泛关注, 近年来成为光伏电池研究领域的热点之一. 本文主要通过对聚合物/富勒烯太阳能电池的内部机理,包括光吸收、激子扩散和解离以及自由载流子输运和提取等关键科学问题, 从器件材料和结构优化、形貌控制和界面修饰等不同侧面介绍了提高聚合物/富勒烯太阳能电池性能的方法, 讨论了各种器件的结构和能量转换效率, 对于进一步开展这方面的研究工作指明了方向, 最后对其未来的发展前景做出了展望.     

“钙钛矿光电材料与器件”专栏导读

正基于钙钛矿材料的光电性能研究是近年来的研究热点,该领域发展十分迅速。有机-金属-卤素杂化钙钛矿材料显示了优异的光电性能,其迅速提升的光伏及发光效率以及其可大范围设计调节的光电特性成为国际材料学界和光电子学界关注的研究热点。当前钙钛矿太阳能电池认证效率已超过25%,成为仅次于单晶硅的薄膜太阳能电池技术。其电     

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.     

应用于钙钛矿太阳能电池中金属氧化物电子传输材料的研究进展

基于有机金属卤化铅钙钛矿材料作为光活性层的太阳能电池(PSCs)已经获得了25.2%的认证效率,是除硅基太阳能电池外被认为最有可能实现商业化的太阳能电池之一。电子传输层是PSCs器件结构的最基本组成之一,其构成材料与光活性层的成膜质量、界面电荷的快速提取以及能级匹配等密切相关。因而,电子传输材料在PSCs的光伏性能及稳定性调控方面发挥着重要作用。本文对应用在PSCs中的金属氧化物电子传输材料进行了回顾与总结,着重强调了材料的纳米结构与制备工艺、半导体特性与分类以及掺杂与界面修饰等方面的研究进展,并对其今后的发展进行了展望。     

溶液法制备全无机钙钛矿太阳能电池的研究进展

太阳能光伏技术,能实现太阳能与电能的高效转换,是实现人类文明可持续发展的关键绿色能源技术.其中,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池具有优异的光电特性、低廉的制备成本、高效的转换效率,已成为该领域的研究前沿.虽然有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已约高达24%,但其体系中的有机物组分易受环境中的光、热、潮等因素影响而分解,致使器件稳定性存在严重的缺陷,极大地限制了钙钛矿太阳能电池的产业化进程.因此,如何制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池,是目前该领域的研究热点与难点,而发展具有更高环境稳定性的全无机钙钛矿太阳能电池具有重要意义.本文回顾了近年来全无机钙钛矿太阳能电池领域的研究成果,重点审视了钙钛矿薄膜的湿法制备工艺,并探讨了器件在光热稳定性方面的改善,为进一步推动钙钛矿太阳能电池的实用化进程提供可行性参考.     

有机太阳能电池研究进展

为了减轻当前能源危机所带来的压力,各国在太阳能电池等清洁能源领域投入了大量的人力、物力和财力.由于有机太阳能电池具有独特的优点(有机材料易于修饰,器件制备方法简便且可制备出柔韧器件),并且随着相关研究的深入,有机太阳能电池的能量转换效率逐步得到提高,这昭示了有机太阳能电池商业化的美好前景,目前已经有大批科研工作者投身于有机太阳能电池领域的研发工作.文章从太阳能电池小分子材料、聚合物材料和提高有机太阳能电池能量转换效率的方法这三方面入手,对有机太阳能电池领域进行综述.     

钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的研究进展

有机—无机杂化钙钛矿电池因其禁带宽度可调、光吸收系数高、光电转化效率高、制备成本低等优点而被用于硅基叠层太阳能电池中,使得太阳能电池的转换效率提高,生产成本降低,应用范围也更为广泛。文章介绍了钙钛矿吸收材料和钙钛矿/晶硅叠层电池的工作原理,对钙钛矿/晶硅叠层电池的类别、影响其性能的主要因素进行了归纳综述,对钙钛矿/晶硅叠层电池未来发展进行了展望。     

双添加剂处理电子传输层富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61丁酸甲酯对钙钛矿太阳能电池性能的影响

有机无机复合钙钛矿材料被证明是非常出色的光伏材料,目前主要通过优化钙钛矿材料的结晶和形貌来提高钙钛矿太阳能电池的效率.而对于电荷传输层,特别是p-i-n结构中电子传输层的研究相对较少.因此,本文制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3Pb I3/PCBM/Al的钙钛矿太阳能电池通过在电子传输层富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61丁酸甲酯(PCBM)中添加聚苯乙烯(PS)和1,8-二碘辛烷(DIO)使得钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从10.8%提升到了12.5%.分析了性能提高的原因主要是:1)添加剂PS的加入提升了PCBM的黏度,从而形成了质量更高、更平滑的膜层,这有利于抑制电子和空穴在钙钛矿层和电子传输层之间的复合;2)添加剂DIO的加入改善了电子传输层的形貌,有利于电荷的分离、传输和收集.研究结果表明用成本较低的添加剂处理可以改善电子传输层的形貌和膜层的质量达到了改善电荷传输特性的效果提升了钙钛矿太阳能电池的效率为提升钙钛矿太阳能电池性能提供了一条可行的路径.     

钙钛矿太阳能电池中S形伏安特性研究

本文从理论模拟和实验角度研究了钙钛矿太阳能电池的伏安特性, 并着重探讨了由于界面电荷输运受限而产生的S形特征. 理论模拟表明, 当电池界面电荷输运速度逐渐降低时, 出现界面电荷积累, 影响电池输出性能. 实验研究表明, 当电池的背接触, 光阳极等界面电荷输运速度受限时, 即出现S形伏安特性, 降低电池效率. 然而, 由于电子和空穴在界面输运性质方面的差异, 以及电池中可能存在的独特的界面能带结构, 不同界面电荷输运受限而产生的S形伏安曲线又各具特征, 与电池内部实际的电荷分布以及输运方向有关. 本文的研究结果有助于阐明钙钛矿太阳能电池中存在的影响电荷输运的界面因素, 进而为界面设计和界面优化提供理论依据.     

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。     

高效稳定卤化物钙钛矿太阳能电池的进展与挑战（特邀）

近年来,有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池因其制作工艺简单、成本低、效率高等优点备受关注。问世至今短短十余年间,其光电转化效率已飙升至26%,目前在单异质结光伏电池中排名第三,并且未来仍具有很大的发展潜力。本文依次介绍了杂化钙钛矿材料的结构与性质,以及钙钛矿太阳能电池常见的器件结构演化过程,重点总结了近几年来在利用缺陷钝化策略提高光电转化效率方面取得的最新研究成果,最后阐述了钙钛矿太阳能电池面临的挑战并对其未来商业化前景进行了展望。     

分步磁控溅射ZnO和/或功能化碳纳米粒子修饰ZnO电子传输层增强聚合物太阳能电池效率

氧化锌具有良好电子传输性和高透光性,ZnO作为电子传输层已被广泛应用于聚合物太阳能电池。但采用溶胶凝胶法和真空镀膜制备ZnO电子传输层,因ZnO界面具有大量缺陷,极大增加载流子复合。抑制ZnO界面复合电流和改善ZnO界面接触性能,是提高ZnO基电子传输层聚合物太阳能电池性能关键所在。基于P3HT:PCBM反转型聚合物太阳能电池,采用磁控溅射ZnO层,研究了离子液功能化碳纳米粒子(ILCNs)修饰层或Ar/O₂混合气体溅射沉积ZnO修饰层,以及Ar/O₂溅射ZnO界面层与ILCNs联合修饰ZnO界面的聚合物太阳能电池性能。纯Ar和Ar/O₂混合气体下一步溅射沉积ZnO电子传输层,其电池效率分别为2.2%和2.8%。经ILCNs修饰或Ar/O₂溅射ZnO修饰层,电池效率分别达到3.4%和3.1%,并且分步溅射ZnO层并联合ILCNs修饰ZnO界面,聚合物太阳能电池效率可提高到3.8%。ZnO修饰型聚合物太阳能电池克服了电化学阻抗负阻效应,降低了反向暗电流并显示出更好的整流特性。研究表明,采用ILCNs修饰ZnO层和分步溅射ZnO层能有效抑制ZnO界面缺陷和改善界面接触性能,而采用分步溅射ZnO层与ILCNs联合修饰ZnO界面,这种联合修饰ZnO界面方案,更能增强ZnO层电子传输和提取能力,是提高聚合物太阳能电池效率更为有效方案。     

减小边缘复合助力28%效率的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池

钙钛矿/硅叠层太阳能电池由于能突破单结太阳能电池的效率极限而吸引了广泛的研究兴趣.然而,在将商业化的大面积硅电池切割为实验室所需的平方厘米级的小面积电池时,会造成显著的效率下降,限制了叠层电池的性能.为了消除传统的激光切割法造成的热损伤和热传导,减少切割后的异质结硅电池的非辐射复合,本工作采用砂轮划片这一冷加工方法,对异质结硅电池进行切割.与采用激光切割法得到的器件相比,冷加工法得到的异质结硅电池的截面损伤小,非辐射复合得到显著抑制,器件的开路电压和填充因子均得到提高,平均光电转换效率提高了1%.将得到的硅电池与正式半透明钙钛矿太阳能电池进行机械堆叠,获得了效率超过28%的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池.     

一种新方法制备硅/聚(3, 4-乙撑二氧噻吩)核/壳纳米线阵列杂化太阳能电池

采用气相聚合法制备了有机/无机杂化的硅/聚3, 4-乙撑二氧噻吩核/壳纳米线阵列(SiNWs/PEDOT)太阳能电池. 相对平面结构Si/PEDOT太阳能电池, SiNWs/PEDOT太阳能电池的能量转换效率提升了7倍, 达到3.23%.对比分析反射光谱、I-V曲线及外量子效率的实验结果, 发现SiNWs/PEDOT太阳能电池性能改进的主要原因可归结为: 气相聚合法能够有效地制备出SiNWs/PEDOT电池的核/壳纳米线阵列结构, 使得器件具有高光捕获、高比结面积和高电荷收集效率. 关键词： Si/PEDOT核/壳纳米线结构 太阳能电池 气相聚合     

阳极缓冲层修饰对聚合物太阳能电池性能的影响

为提高聚合物太阳能电池的能量转换效率,将聚乙二醇(PEG)掺入PEDOT∶PSS阳极缓冲层,研究了阳极缓冲层修饰对聚合物太阳能电池性能的影响。首先研究了聚乙二醇对PEDOT∶PSS薄膜电导率的影响,发现PEG会与PEDOT和PSS相互作用,使得PEDOT链重新排布,有利于电荷载流子的传输,从而显著改善了PEDOT∶PSS薄膜的电导率,当PEDOT∶PSS中掺入体积分数为2%~4%的PEG时,可得到较大的电导率。然后,以PEG修饰的PEDOT∶PSS薄膜作为阳极缓冲层制备了聚合物太阳能电池,研究了PEG的掺入对聚合物太阳能电池性能的影响。实验发现,PEG改善的PEDOT∶PSS电导率有利于提高电池的短路电流密度和填充因子,从而改善了器件光伏性能。当PEDOT∶PSS中掺入体积分数为2%的PEG时,聚合物太阳能电池的能量转换效率最高,比未掺杂的器件提高了24.4%。