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.     

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.     

全无机钙钛矿太阳能电池湿度稳定性和光热稳定性研究进展

近年来,钙钛矿太阳能电池因高效率、低成本等特点获得了持续的关注,但是有机成分在稳定性方面始终存在一些问题。相比于有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池,全无机钙钛矿材料可以很大程度上避免外界环境的影响,对氧环境要求低,对于湿度环境的容许度也比较大;由于自身结构,在光热稳定性方面,也要优于有机-无机杂化钙钛矿。因此,发展全无机钙钛矿太阳能电池是有效提高钙钛矿太阳能电池稳定性的方向之一。本文从稳定性方面入手,系统地介绍了全无机钙钛矿太阳能电池的最新研究进展。结合全无机钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素,总结了当前全无机钙钛矿电池稳定性问题的主要解决方案,最后对解决全无机钙钛矿材料的稳定性进行了展望。     

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。     

有机-无机杂化钙钛矿中的自旋输运和磁场效应

有机-无机杂化钙钛矿(OIHPs)是现阶段较为新颖的光电子材料之一,已被广泛地应用于太阳能电池和发光领域。然而,该类材料已被证实具有较强的自旋轨道耦合和Rashba效应,并且具备较高的载流子迁移率和消光系数。因此,这为实现自旋注入和自旋调控提供了重要依据。本文从三个方面对有机-无机杂化钙钛矿的自旋光电子学展开论述,首先是自旋极化电子在钙钛矿自旋器件中的输运研究以及铁磁-钙钛矿自旋界面研究;其次,是该材料在激发态下的磁场效应研究;最后,就钙钛矿自旋光电子学未来发展进行了探讨和评论。     

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.     

材料设计以及界面与器件工程最适化以实现高性能聚合物和钙钛矿太阳能电池

有机聚合物和钙钛矿杂化物在合成控制、加工及属性调控的进展显著地增强了其太阳能电池性能。聚合物和杂化太阳能电池的性能十分依赖材料吸收光子、激子离解、电荷传输以及在金属/有机/金属氧化物或金属/钙钛矿/金属氧化物界面的电荷收集的效率。介绍了如何通过有效地整合材料设计以及界面与器件工程以显著提高聚合物和杂化钙钛矿型太阳能电池性能(转换效率>18%)。还介绍了一些关于制备串联和半透明太阳能电池的新型器件结构和光学工程策略,以发挥聚合物和钙钛矿太阳能电池的最大潜能。     

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。     

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.     

石墨烯在钙钛矿太阳能电池中的应用

正近年来,基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池(简称钙钛矿太阳能电池,perovskite solar cells)因为具备优良的光电转换性能、成本低廉且易于规模化生产等特点,而在国际上备受关注。2009年CH3NH3Pb I3首次被用作染料敏化太阳能电池中的光吸收剂,获得了3.8%的光电转换效率,这掀起了钙钛矿太阳能电池的研究热潮。短短几年内,钙钛矿太阳能电池的光电效率得到迅速提升。最近美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)认证的     

基于二维有机无机杂化钙钛矿的薄膜晶体管

三维有机无机杂化钙钛矿因其优异的光电性能被视为光电领域极具前景的材料,但其在湿度环境下的不稳定性成为制约产业化进程的关键因素之一.本文采用一步溶液法成功制备了碘化铅基二维钙钛矿(PEA)_2(MA)_(n–1)Pb_nI_(3n+1) (n=1, 3,6, 20, 30),对钙钛矿的维度及微观结构进行调控,并将其应用作为薄膜晶体管(TFTs)器件的半导体沟道层.实验结果表明,独特的二维层状结构和量子约束效应有效地抑制了器件的环境不稳定性和离子迁移现象, TFTs器件性能得到提高.基于准二维Quasi-2D (n=6)钙钛矿的薄膜晶体管器件空穴迁移率(μ_(hole))达到3.9 cm~2/(V·s)、阈值电压为1.85 V、开关比高于10~4.首次提出将准二维有机无机杂化钙钛矿材料应用到薄膜晶体管中,为制备高性能、高稳定性的薄膜晶体管器件提供了新的思路.     

有机-无机杂化卤化物钙钛矿材料稳定性及其在光电探测器方面的研究进展(特邀)

有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbX3)因其具有载流子迁移率高、直接带隙结构、光电转换效率高等优异的光电性能,在太阳能电池、光电探测器、发光二极管及激光器等光电子领域具有重要应用前景.然而,有机-无机杂化钙钛矿材料的稳定性问题是现阶段限制其进一步应用的瓶颈.本文首先系统论述子外界环境因素(水氧、温度、光照等)对...     

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。     

“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     

喷墨打印钙钛矿太阳能电池研究进展与展望

作为近年来光伏领域最具竞争力的材料之一,有机-无机杂化钙钛矿受到了广泛的关注.然而,由于薄膜制备手段的限制,工业化大面积生产钙钛矿太阳能电池仍处于起步阶段.喷墨打印技术是由家庭和办公室印刷发展而来的一种重要的工业制造技术,广泛应用于各种印刷电子行业.与其他沉积方法相比,它具有成本低、材料利用率高和图案化精度高等优势.作为一种直接书写技术,喷墨打印已经显示出了巨大的工业化潜力,并有望在钙钛矿太阳能电池产业化中获得应用.本文回顾了喷墨打印钙钛矿太阳能电池的发展进程,对喷墨打印技术应用到钙钛矿太阳能电池的各个功能层(电极、空穴传输层、电子传输层、钙钛矿活性层)的情况进行了总结,并分析了喷墨打印钙钛矿太阳能电池的现状.最后,讨论了现阶段喷墨打印钙钛矿太阳能电池所面临的挑战,并对未来喷墨打印技术在钙钛矿材料的商业化应用方面进行了展望.     

有机铵盐表面稳定化CsPbI_2Br全无机钙钛矿

有机-无机杂化钙钛矿中的有机阳离子组分具有在光照和加热条件下本征的化学不稳定性,而全无机钙钛矿有望从根本上解决组分稳定性问题.但是,全无机钙钛矿在湿度条件下,极易相变为非光学活性的d相.本文以CsPbI_2Br全无机钙钛矿为对象,研究不同碳链长度的有机铵盐表面处理对于钙钛矿湿稳定性和器件光电性能的影响.实验结果表明,有机铵盐碳链的增长显著改善钙钛矿相稳定性.其中,当用碘化丁铵处理时, CsPbI_2Br全无机钙钛矿表现出最佳的湿稳定性.随着碘化丁铵的处理浓度的增加,钙钛矿的湿稳定性进一步改善.当用适宜浓度的碘化丁铵处理CsPbI_2Br薄膜时,钙钛矿层表层的丁铵阳离子对电荷传输不会有明显阻碍,可以获得优良的器件效率.总之,适宜的有机阳离子层既能提高全无机钙钛矿的湿稳定性,又能改善其光伏性能.     

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.     

应用于光伏型智能窗的半透明钙钛矿太阳能电池:透明度与效率间的对立统一

新型杂化钙钛矿材料因其独特的光电特性可制备成半透明太阳能电池,应用于建筑物幕墙,实现对太阳能的收集。本文从光伏型智能窗的最新研究进展出发,归纳了钙钛矿太阳能电池应用到绿色建筑智能窗的主要方法和目前实现钙钛矿太阳能电池透明化的主要技术,并预测了其应用于智能窗的透明度和效率等问题。此外,采用随机抽样的方法进行用户调研,分析了光伏窗的成本与收益,对其商业应用前景进行了展望。     

有机-无机杂化钙钛矿自组装量子阱结构的能带调控和光电性能的研究

有机-无机杂化钙钛矿材料具有分子尺度上调节能带结构的特点,在光、电、磁等领域均表现出了优异的性能.通过简单的旋涂方法,成功的制备了具有不同无机层层数的杂化钙钛矿材料(C₆H₁₃NH₃)₂(CH₃NH₃)_n-1Pb_nI_3n+1 (简写为C₆Pb关键词： 杂化钙钛矿 量子阱 带隙 光电性能