基于WOx/PEDOT:PSS复合空穴传输层的高效稳定平面异质结钙钛矿太阳电池

在基于钙钛矿/富勒烯平面异质结的钙钛矿太阳电池中,PEDOT:PSS是最常使用的空穴传输材料. 但PEDOT:PSS呈酸性,会腐蚀金属氧化物透明电极,使器件的电极界面稳定性欠佳. 本文将高功函的氧化钨（WO_x）插入到PEDOT:PSS和FTO之间,形成WO_x/PEDOT:PSS复合空穴传输层,这样既可以避免PEDOT:PSS与FTO直接接触,提高器件的稳定性,又可以进一步降低电极界面的接触势垒,从而提升器件的性能. 作者研究了复合传输层对透光率、钙钛矿形貌、钙钛矿结晶、光伏性能及器件稳定性的影响. 基于WO_x/PEDOT:PSS复合空穴传输层的电池效率可以达到12.96%,比单纯的PEDOT:PSS的电池效率(10.56%)提升了22.7%,同时器件的稳定性也得到大幅改善.     

钙钛矿同质结太阳电池研究进展

钙钛矿太阳电池制备工艺简单,效率提升迅速,被认为是最具应用潜力的新一代光伏技术之一。近年来,大量研究表明,钙钛矿光电材料可以通过自掺杂或外源掺杂的方式实现薄膜导电类型(p型或n型)的定向调控;而具有双层薄膜结构的钙钛矿p-n同质结可以通过薄膜双沉积技术制备,这为钙钛矿同质结太阳电池的设计与制备提供了技术基础。新型钙钛矿同质结太阳电池摒弃传统的电子传输层和空穴传输层,可简化电池结构,不仅有利于提升电池工作稳定性,降低成本,更能进一步释放钙钛矿太阳电池在柔性和半透明应用中的潜力,推动钙钛矿电池的实用化进程。本文围绕钙钛矿同质结太阳电池,综述了钙钛矿光电材料p/n特性掺杂和钙钛矿同质结的研究进展,讨论了钙钛矿同质结太阳电池的基本结构和工作原理,并对其当前存在的技术问题和应用前景进行了总结与展望。     

薄膜结构及形貌对钙钛矿电池性能的影响

采用液相连续沉积法制备了有机/无机杂化钙钛矿太阳电池,并研究了不同形貌钙钛矿(CH3NH3PbI3)光活性层对太阳电池性能的影响.实验结果表明在连续沉积法中PbI2的结构对CH3NH3PbI3层的形貌具有重要的影响,PbI2薄膜中适当的孔洞结构有利于其与CH3NH3I充分反应形成CH3NH3PbI3层.致密的PbI2层造成PbI2的转化不完全,导致CH3NH3PbI3颗粒较小,吸收较弱,影响电池的短路电流.而CH3NH3PbI3颗粒过大会引起CH3NH3PbI3薄膜孔洞产生,造成电池的开路电压下降.通过对电池制备工艺的优化获得了13.5%的最佳光电转换效率.     

全无机钙钛矿太阳电池的制备及稳定性

全无机钙钛矿太阳电池因其热稳定性好、载流子迁移率高,可用于制备叠层电池等优点备受关注.随着人们对全无机钙钛矿太阳电池的深入研究和制备工艺的持续优化,全无机钙钛矿太阳电池的光电转换效率已经突破19％.然而,全无机钙钛矿材料相稳定性较差,这使得实现全无机钙钛矿太阳电池在空气环境下制备和长期使用面临巨大挑战.众多科研工作者通...     

体异质结型聚合物太阳电池

聚合物太阳电池因具有重量轻、制备工艺简单、成本低等特点近年来受到了国内外的广泛关注.其中体异质结型聚合物太阳电池(bulk heterojunction polymer solar cell,BHJ-PSC)是目前报道的具有高性能的器件之一.本文系统地综述了BHJ-PSC的最新研究进展.首先介绍了BHJ-PSC的结构及...     

钙钛矿太阳电池研究进展:薄膜形貌控制与界面工程

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池因兼具低成本溶液加工和优异的光电转换性能在国际上倍受关注. 基于其吸收强、迁移率高、载流子寿命长、可调控带隙以及可采用多种方式加工等优势, 钙钛矿太阳电池在短短5年时间里, 实验室小面积器件的能量转换效率已经从低于5%提高到近20%, 模块器件的能量转换效率可达8.7%, 其效率超过了很多其他类型太阳电池, 接近可以商业化的水平. 借助于相关材料性质理解和电池设计优化, 钙钛矿太阳电池效率的进一步提升存在很大的潜力空间. 本文通过文献综述, 在回顾国内外钙钛矿太阳电池发展情况的基础上, 着重讨论影响钙钛矿太阳电池性能的其中两个重要因素: 薄膜形貌控制与界面工程, 并分析了钙钛矿太阳电池面临的基础科学问题以及展望该技术的未来前景.     

绝缘氧化物包覆对钙钛矿太阳电池性能及界面电荷复合动力学的影响

采用浸渍法对钙钛矿太阳电池的介孔层TiO₂纳米颗粒进行了SiO₂、ZrO₂、Al₂O₃几种绝缘氧化物包覆,研究了其对电池光伏性能以及界面电荷复合动力学的影响。结果表明, SiO₂包覆之后,电池的填充因子(FF)从67.6%提高到72.3%,光电转换效率提升到13.7%, ZrO₂和Al₂O₃包覆导致电池开路电压提升约50mV,但是短路电流(J_sc)和填充因子略有下降。采用纳秒时间尺度的瞬态吸收光谱技术,从时间分辨的角度分析了钙钛矿电池界面的电子和空穴的复合寿命,对电池性能的变化给出了合理的解释。     

Sn类钙钛矿太阳电池薄膜的掺杂改性研究

采用一步法分别制备了Sn类CH3NH3Sn I3和Pb类CH3NH3Pb I3钙钛矿太阳电池薄膜材料,并对其表面形貌、微观结构、吸收光谱和电池器件性能进行了表征和测试。研究结果表明:Sn类钙钛矿材料的吸收光谱相对于Pb类钙钛矿材料发生了明显的红移,吸收截止波长从800 nm上升到950 nm左右,光学带隙由1.45 e V降低至1.21 e V左右;Sn类钙钛矿材料的光谱吸收范围明显扩大,但吸收强度有所降低,相应太阳电池器件的光电转换效率也明显低于Pb类钙钛矿太阳电池,分别为2.05%和6.71%。而Br的掺杂可使Sn类钙钛矿材料带隙变宽,吸收光子能量增大,电池器件的开路电压也相应提高。当Br含量由0增加至完全替代I时,Sn类钙钛矿材料逐渐由黑褐色转变为黄色,光学带隙增大至1.95 e V,但吸收截止波长由950 nm降低至650nm。值得提及的是当Br含量为0.5时,电池器件的光电转换效率可由最初的2.05%提升至2.94%。     

钙钛矿太阳电池电子传输层与光吸收层的界面工程

钙钛矿太阳电池(PSCs)自2009年出现至今经历了光伏领域前所未有的快速发展,目前经认证的最高光电转换效率已超过23%,极具应用前景。界面工程是提升PSCs性能的有效途径之一,本文回顾了PSCs中电子传输层和钙钛矿光吸收层间界面工程的主要研究工作,根据作用效果将相关研究按照改善钙钛矿光吸收层质量、提高电子传输层与钙钛矿层间的能级匹配度和提升电池稳定性等三类进行了梳理和总结,并对电子传输层和钙钛矿光吸收层间界面工程的前景进行了展望。     

碳基钙钛矿太阳能电池的研究进展

由于具有成本低、工艺简单等优点,有机-无机杂化太阳能电池(PSCs)的研究和发展受到了广泛的关注,光电转换效率也快速提升到与传统晶体硅太阳能电池相当的水平。 然而,PSCs稳定性差的问题严重限制了其商业化。 在各种PSCs中,基于碳电极的无空穴传输层器件(C-PSCs)去除了影响稳定性的有机空穴传输层和金属电极,使得器件稳定性得到了明显的提高,是最具有应用前景的电池器件之一。 自从2013年首次报道以来,C-PSCs的各方面研究取得了很大的进展,效率也从最初的6.6%提高到现在的15.9%。 本综述将系统地介绍C-PSCs的最新研究进展,包括器件结构和工作原理、各部分研究进展(电子传输层、钙钛矿薄膜和碳电极),以及存在的问题和解决方案。     

钙钛矿太阳能电池中吸收层的研究进展

钙钛矿太阳能电池因具有成本低、制备容易和光电性能优异等突出特点受到了广泛关注.钙钛矿太阳能电池能量转化效率已从2009年的3.8%提升到2019年的25.2%.我们在文中重点总结了钙钛矿电池吸收层的制备工艺,掺杂和晶体组成、结构调控方面取得的重要进展,以及这些突破对电池效率提高的贡献,同时也提出了钙钛矿太阳能电池发展仍需要解决的问题.     

Repair Strategies for Perovskite Solar Cells

In recent years, organic-inorganic hybrid halide perovskite solar cells(PSCs) have obtained rapid development due to their excellent optoelectronic properties and low fabrication cost. However, owing to the environmental sensitivity of perovskite materials, the instability of PSCs is the key issue hindering its commercialization. Developing feasible strategy to repair the degraded PSCs stands for effective and unique means to prolong the operational lifetime of PSCs. Herein, we summarize various methods to repair the degraded PSCs under the influence of different environmental conditions. Along with the repairing process, the optoelectronic properties of perovskite film as well as the corresponding PSCs are discussed. Some suggestions on how to further improve the intrinsic stability of perovskite and repairing effect of PSCs are also provided.     

电泳法制备的致密氧化锡薄膜及其在高稳定性钙钛矿太阳能电池中的应用

在平面型钙钛矿太阳能电池中常采用SnO₂作为电子传输层材料,相应的SnO₂薄膜常采用溶液旋涂法制备。但是由于前驱液中的纳米颗粒可能会发生部分团聚、基底和溶液难以完全避免灰尘等杂质颗粒混入,且最佳的SnO₂电子传输层的厚度通常仅有约20 nm,所以这种方法制备的电子传输层难以保证严格致密和无纳米针孔。在本工作中,我们报道了一种电泳沉积制备致密SnO₂薄膜的方法,并用其有效地提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和工况稳定性。通过电泳法,表面带负电荷的SnO₂纳米颗粒在电场的作用下沉积到氧化铟锡(ITO)阳极表面,这种方法得到的薄膜比旋涂法制备的更为致密。将其应用于n-i-p结构的钙钛矿太阳能电池中,能够使得暗电流降低并抑制载流子的非辐射复合,从而提高电池的短路电流和开路电压,进而实现更高的光电转换效率(从18.17%提高到19.52%),且能消除迟滞效应。更重要的是,长期工况稳定性测试表明基于电泳-旋涂法制备的器件在1个太阳的光照下、最大功率点处连续工作960 h后,仍然能够保持71%的初始效率;然而基于旋涂法制备的器件在工作100 h后即降低到初始效率的70%。本工作提供了一种全新的SnO₂电子传输层的制备方法,显著地提高了器件性能和工况稳定性,后续有望应用于制备大面积器件和电池模组。     

Emerging of Inorganic Hole Transporting Materials For Perovskite Solar Cells

Hole transporting material (HTM) is a significant component to achieve the high performance perovskite solar cells (PSCs). Over the years, inorganic, organic and hybrid (organic‐inorganic) material based HTMs have been developed and investigated successfully. Today, perovskite solar cells achieved the efficiency of 22.1 % with with 2,2’,7,7’‐tetrakis(N,N‐di‐p‐methoxyphenyl‐amine) 9,9‐spirobifluorene (spiro‐OMeTAD) as HTM. Nevertheless, synthesis and cost of organic HTMs is a major challenging issue and therefore alternative materials are required. From the past few years, inorganic HTMs showed large improvement in power conversion efficiency (PCE) and stability. Recently CuO_x reached the PCE of 19.0% with better stability. These developments affirms that inorganic HTMs are better alternativesto the organic HTMs for next generation PSCs. In this report, we mainly focussed on the recent advances of inorganic and hybrid HTMs for PSCs and highlighted the efficiency and stability of PSCs improved by changing metal oxides as HTMs. Consequently, we expect that energy levels of these inorganic HTMs matches very well with the valence band of perovskites and improved efficiency helps in future practical deployment of low cost PSCs.     

Perovskite Solar Cells: From the Atomic Level to Film Quality and Device Performance

Organic–inorganic perovskites have made tremendous progress in recent years due to exceptional material properties such as high panchromatic absorption, charge carrier diffusion lengths, and a sharp optical band edge. The combination of high‐quality semiconductor performance with low‐cost deposition techniques seems to be a match made in heaven, creating great excitement far beyond academic ivory towers. This is particularly true for perovskite solar cells (PSCs) that have shown unprecedented gains in efficiency and stability over a time span of just five years. Now there are serious efforts for commercialization with the hope that PSCs can make a major impact in generating inexpensive, sustainable solar electricity. In this Review, we will focus on perovskite material properties as well as on devices from the atomic to the thin film level to highlight the remaining challenges and to anticipate the future developments of PSCs.     

二氧化钛在钙钛矿太阳电池中的应用

纳米TiO₂由于具有合适的禁带宽度、良好的光电化学稳定性、制作工艺简单等特点,目前广泛应用于染料敏化、量子点和钙钛矿等太阳电池中。作为电池的重要组成部分之一,纳米TiO₂晶体尺寸、颗粒大小和制备方法等明显影响电池的光伏性能,相关研究工作一直是染料敏化、量子点和钙钛矿等太阳电池方面的重点。本文综述了纳米TiO₂作为致密层和骨架层在钙钛矿太阳电池中的应用研究进展,主要讨论了纳米TiO₂的不同形貌、制备方法以及结构等对电池光电性能的影响,并针对纳米TiO₂在后续对电池性能提升方面进行了展望。     

Aggregation-induced Emission Materials for High-efficiency Perovskite Solar Cells

The perovskite solar cells (PSCs) with high efficiency and stability are in great demand for commercial applications. Although the remarkable photovoltaic feature of perovskite layer plays a great role in improving the PCE of PSCs, the inevitable defects and poor stability of perovskite, etc. are the bottleneck and restrict the commercialization of PSCs. Herein, a review provides a strategy of applying aggregation-induced emission (AIE) molecules, containing passivation functional groups and distinct AIE character, which serves as the alternative materials for fabricating high-efficiency and high-stability PSCs. The methods of introducing AIE molecules to PSCs are also summarized, including additive engineering, interfacial engineering, hole transport materials and so on. In addition, the functions of AIE molecule are discussed, such as defects passivation, morphology modulation, well-matched energy level, enhanced stability, hole transport ability, carrier recombination suppression. Finally, the detailed functions of AIE molecules are offered and further research trend for high performance PSCs based on AIE materials is proposed.     

掺杂PEDOT：PSS空穴传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用

钙钛矿太阳能电池(PSCs)因易于制备、生产成本低和能量转换效率高而受到广泛关注。聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT∶PSS)由于具有易低温加工、透光度高和适宜空穴迁移率等特点而成为PSCs中空穴传输层的研究热点。本文简述了倒置PSCs的结构及工作原理,重点介绍了掺杂PEDOT∶PSS空穴传输层在PSCs领域的研究现状。分别从有机化合物掺杂剂、无机化合物掺杂剂和表面活性剂掺杂剂三个类别概述了掺杂PEDOT∶PSS空穴传输层对PSCs性能的影响。最后,对该领域存在的问题提出潜在措施以改善PEDOT∶PSS掺杂层在PSCs中的应用。     

有机空穴传输材料在钙钛矿太阳电池中的应用

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池(PSCs)由于其诸多优点得到广泛关注,而有机固态空穴传输材料(HTMs)代替液体电解质使其得到飞速的发展,提升了电池的效率和稳定性,已经成为PSCs的重要组成部分。目前应用于PSCs的空穴传输材料分为有机空穴传输材料和无机空穴传输材料两大类。无机空穴传输材料的可选择范围较窄,对应器件的光电转换效率相对较低。开发各类能级匹配、空穴迁移率高的有机空穴传输材料是提高器件效率和稳定性的有效手段,成为相关领域的研究热点。本文依据相对分子质量的大小,将应用于PSCs中的有机空穴传输材料分为小分子类和聚合物类空穴传输材料,详细评述了有机空穴传输材料分子结构对PSCs光电转换效率、填充因子、开路电压、短路电流和稳定性的影响,并对其能级、空穴迁移率的高低、添加剂的使用等进行了讨论。最后详细论述了有机空穴传输材料未来的研究重点和发展趋势。     

紫外光辐照下CH3NH3PbI3基钙钛矿太阳能电池失效机制

随着光伏产业的不断发展,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研发成为科学与工业界广泛关注的焦点。到目前为止,其光电转换效率已经提高到了25.2%,成为替代硅基太阳能电池的核心方案之一。然而,钙钛矿太阳能电池的稳定性较差,容易受到环境中氧气、水分、温度甚至光照的影响,这严重制约了其大规模推广与应用。大量科学研究表明,如何避免紫外辐照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的性能衰减,对于提高钙钛矿太阳能电池的光照稳定性至关重要。然而到目前为止,仍然没有系统的工作来对紫外辐照下钙钛矿太阳能电池性能以及微结构演化过程进行详细的表征与分析。本文中,我们利用聚焦离子束-扫描电子显微分析(FIB-SEM)以及球差校正透射电子显微分析(TEM)等技术,全面地研究了紫外辐照过程中有机无机杂化钙钛矿太阳能电池性能变化规律以及电池微结构演化特征。实验结果表明,紫外辐照过程中太阳能电池内部会形成0.5–0.6 V的内建电场,钙钛矿中的I^-离子在电场的驱动下向金属Au电极和空穴传输层2, 2’, 7, 7’-四[N, N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9, 9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)一侧迁移;随后,空穴传输层与金电极的界面处,碘离子与光生空穴一起与金电极发生反应,将金属态Au氧化成离子态Au⁺。而Au⁺离子则在内建电场的驱动下反向迁移穿过钙钛矿MAPbI₃层,直接被SnO₂和MAPbI₃界面处的电子还原形成金属Au纳米团簇。除此之外,紫外辐照过程中钙钛矿太阳能电池性能降低的同时,往往伴随着Spiro-OMeTAD与钙钛矿界面处物质迁移、钙钛矿薄膜内晶界展宽以及Au纳米颗粒周围MAPbI₃物相分解等现象。以上各种因素的协同作用,共同导致了紫外光照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池光电转换性能(PCE)、开路电压(V_oc)以及短路电流(J_sc)等性能参数的急剧下降。