基于硫氰酸亚铜的n-i-p型钙钛矿太阳电池界面能级匹配及稳定性的初步研究

宽带隙的无机空穴传输材料硫氰酸亚铜(CuSCN)具有低成本、高载流子迁移率、良好的稳定性,以及优异的光透过性等优点,是一种非常有潜力的空穴传输层材料.但是目前基于CuSCN空穴传输层的n-i-p型钙钛矿太阳电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)比基于spiro-OMeTAD的电池效率低很多,其主要原因为电池的开路电压较低.本研究团队发现钙钛矿吸收层带隙对基于CuSCN的电池开路电压有较大的影响,本文分别制备了基于带隙为1.55 eV,1.60 eV以及1.65 eV的钙钛矿太阳电池,其中基于CuSCN的器件的效率分别为12.8;,14.4;,10.7;(基于spiro-OMeTAD的钙钛矿太阳电池效率分别为20.8;,19.1;和17.5;).通过研究发现1.60 eV带隙的钙钛矿能够与CuSCN空穴传输层(HTL)之间形成较好的界面能级匹配,获得最高的效率,电池的开路电压能够达到1.06 V,电池PCE为14.4;.更重要的是在相对湿度(RH)30;～40;的空气中,未封装的基于CuSCN HTL钙钛矿太阳电池经过120℃处理1 h后仍能够保持原来性能的92.4;,而基于spiro-OMeTAD HTL钙钛矿太阳电池只能保持原来性能的49.7;.这表明基于CuSCN的n-i-p型钙钛矿太阳电池具有良好的热稳定性,是制备稳定钙钛矿太阳电池的理想空穴传输材料之一.     

原子层沉积二氧化钛薄膜对钙钛矿太阳电池性能的影响

电子传输层是钙钛矿太阳电池的重要组成部分.采用原子层沉积的方法制备二氧化钛薄膜,并将其作为电子传输层制备了平面钙钛矿太阳电池.系统研究了二氧化钛薄膜厚度和退火温度对钙钛矿太阳电池性能的影响.研究结果表明,TiO2的沉积速率约为0.41 ?/cycle,13 nm左右的二氧化钛薄膜能够获得较好的电池性能;后期退火改善了TiO2薄膜的光学和电学性能,但是退火产生的微小裂纹限制了电池的性能,因此,选择90 ℃退火条件下制 备的二氧化钛.最终利用原子层沉积制备的TiO2得到了17.1;的电池效率.     

一步沉积法中溴基钙钛矿薄膜的优化及应用

溴基钙钛矿太阳电池因其工艺简单、高开压的特性,可在叠层太阳电池、彩色的显示设备和光伏建筑一体化等多方面进行应用而引起人们关注.此文首先研究了一步沉积法中不同溶质前驱体溶液对钙钛矿薄膜形貌和结晶的影响.在优化前驱体溶质条件下,通过加入适量醋酸铵获得均一致密、较大晶粒尺寸、具有择优取向的高质量钙钛矿薄膜,且提高了材料的疏水特性.以Spiro-OMeTAD作为空穴传输层制备器件获得最高1.42 V开路电压、5.87;的电池效率,并在30 d后仍保持89;的效率.     

平面硅异质结太阳电池的光吸收增强的研究

钙钛矿/硅叠层太阳电池可以充分利用太阳光谱,提高光电转换效率.平面硅异质结太阳电池可以作为叠层电池的底电池,其性能直接影响叠层电池的性能表现.采用传统反应热蒸发技术,在低温(170 ℃)条件下制备了掺锡氧化铟薄膜,并在170 ℃的氧气氛围下后退火处理,对ITO薄膜的特性进行了详细的表征和分析.结果表明:后退火工艺改善了ITO的结晶特性,使得材料的光学特性和电学特性得到明显提高,将其应用于平面硅异质结太阳电池,短路电流密度得到极大提高,尤其红外光响应改善明显.引入MgF2薄膜作为减反射层,进一步增强了电池的光响应,转换效率达到19.04;.     

疏水载流子传输层上制备高效钙钛矿太阳电池的锚固策略

几种常用的导电聚合物(如PTAA(聚三芳基胺))具有优良的光电特性,因此适合用作钙钛矿太阳电池中的空穴传输材料来提升器件性能.然而,这些材料的疏水特性导致难以形成致密且高质量的钙钛矿薄膜.此外,即使通过一些方法实现载流子传输层与钙钛矿膜之间的接触,但界面处也会存在严重的载流子复合.同时,这样制备出的粗糙钙钛矿薄膜会导致后续沉积在钙钛矿薄膜上的电子传输层的非均匀覆盖.因此,在疏水载流子传输层上实现良好钙钛矿薄膜沉积以获得优良器件性能仍然具有很大挑战性.在本研究中,利用PbI2进行锚固工程被证明是一种简便、绿色且有效的方法,可有效解决疏水载流子传输层浸润性问题.通过本方法,钙钛矿薄膜质量和器件性能得到了显著提高,并获得了效率高达19.53;的器件.同时,本方法也普遍适用于其他疏水的载流子传输层,进而制备优异的钙钛矿薄膜,这为高性能钙钛矿太阳电池的发展提供了一种可行策略.     

阳极光电性能对聚合物太阳电池性能的影响

为验证ITO的光电性能,以不同类型ITO作为光电阳极,采用旋涂与真空蒸镀的方法制备本体异质结聚合物太阳电池ITO/PEDOT∶ PSS/P3HT∶ PCBM/Al,研究了ITO表面形貌及光场分布对太阳电池光电性能的影响.结果表明,合适的ITO厚度及表面形貌能够在有效收集空穴的同时,提高光子透过率,保证有源层对光子的吸收.合适的ITO阳极厚度及表面形貌能够有效提高聚合物太阳电池的光伏性能,使得聚合物电池的效率从0.07;提升至1.30;.     

退火温度和涂膜层数对溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜微结构及光学特性的影响

采用溶胶-凝胶法在玻璃基片上制备了ZnO薄膜,研究了退火温度和涂膜层数对ZnO薄膜结晶性和光学特性的影响.扫描电镜(SEM)结果表明,退火温度的升高使得薄膜致密性和均匀性均得到改善.旋涂10层以上的薄膜其表面形貌明显要好于旋涂5层的薄膜样品,但旋涂10层和20层的薄膜其形貌和微结构差异并不显著.XRD图谱表明所有样品都具有纤锌矿结构,随着热处理温度的升高,各衍射峰强度增大,晶粒尺寸变大.光致发光(PL)测量显示,退火温度越高,涂膜层数越少,其PL谱发光强度越强.紫外-可见透过谱发现,涂膜层数越少,透射率越高;而提高退火温度也有助于改善薄膜透射率.结合已得到的微结构信息,对观察到的光学性能进行了合理解释,综合认为旋涂10层并在600℃退火是溶胶凝胶法制备ZnO薄膜的最佳生长条件.     

碳酸铯阴极缓冲层对有机太阳电池器件性能的影响

以poly(3-hexyhhiophene)(P3HT)作为电池给体材料,[6,6]-phenyl-C60-butyric acid methyl ester(PC61BM)为电池受体材料,使用Cs2CO3作为电池的阴极修饰层,通过测量不同条件下制备的器件的J-V曲线和转换效率,研究了Cs2CO3的厚度以及退火温度对电池器件性能的影响.结果表明在2000 r/min转速下旋涂Cs2CO3并在130℃温度下进行退火10 min,电池的短路电流、填充因子、转换效率分别提高到11.56 mA/cm2、58.28;、3.37;,与未处理的器件相比效率提高了16;,而且使用碳酸铯作为阴极缓冲层可以有效的提高电池的稳定性,延长器件的寿命.     

钙钛矿薄膜的气相法制备及光伏应用的研究进展

近几年,有机-无机杂化钙钛矿太阳电池迅速兴起并且获得了媲美硅基电池的效率,受到了学术界以及产业界的高度关注.随着效率的提高,如何解决稳定性、大面积制备等问题也迅速被提上日程.汽相薄膜制备方法是目前广泛应用于制备大面积致密半导体薄膜及器件的一种工业技术.自2013年Snaith团队成功实现钙钛矿薄膜的真空汽相沉积以来,汽相制备技术在钙钛矿薄膜及器件制备领域也获得越来越多的研究.本论文将对气相法制备钙钛矿薄膜和器件的研究进行综述.重点介绍气相法制备方法的发展及汽相制备方法中一些共有的物理问题,包括MAI分子蒸发的弥散性问题;真空度对分子扩散及薄膜形态的影响以及温度对固态反应的影响.最后将简单讨论进一步提高材料和器件特性可以采取的方案.     

SnCl4醇水溶液制备SnO2电子传输层及其在钙钛矿太阳电池中的应用

二氧化锡因其具有高透过率及高电子迁移率已被广泛应用于钙钛矿太阳电池中作为电子传输层.本文采用无水SnCl4作为锡源前驱,乙醇作为溶剂,水作为氧化剂,通过SnCl4的水解反应制备了SnO2电子传输薄膜.研究发现改变溶液中水的比例,可以调控SnO2薄膜的形貌及光电性能.通过制备工艺优化、将其作为电子传输层最终获得了效率高达17.38;的平面钙钛矿太阳电池.     

钙钛矿太阳能电池的制备工艺与光伏性能研究

设计和制备结构为FTO玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/CH3NH3PbI3吸收层/C电极的钙钛矿太阳能电池.采用两步法制备CH3NH3PbI3吸收层:首先通过旋涂技术制备PbI2薄膜,然后将PbI2薄膜在浓度为0.044 mol/L的甲基碘化胺/异丙醇(MAI/IPA)溶液中分别浸泡反应0.5 h、2.5 h、3.5 h和4.0 h后获得CH3NH3PbI3吸收层.研究了浸泡反应时间对CH3NH3PbI3吸收层的结构和形貌以及对电池光伏性能的影响.结果表明:PbI2薄膜在MAI/IPA溶液中反应后形成四方结构的CH3NH3PbI3晶粒,当浸泡反应3.5 h时,CH3NH3PbI3晶粒的平均尺寸最大,均匀性较好;XRD图谱中只有CH3NH3PbI3的特征峰,而PbI2的特征峰完全消失.同时,该条件下制备的钙钛矿太阳能电池的光伏性能最佳,其开路电压0.881 V、短路电流密度达到22.17 mA/cm2,光电转化效率6.79;,且在整个可见光区的光子-电子的转换效率接近50;.     

铅基卤化物钙钛矿太阳电池的模拟研究

多元硫化物Cd_0.5Zn_0.5S和氧化亚铜Cu₂O载流子迁移率较大,且其制作工艺相对于传统的电子传输层和空穴传输层更为简单,因此这两种材料在钙钛矿太阳电池中具有很好的应用潜力。本文利用SCAPS-1D软件对以Cu₂O和Cd_0.5Zn_0.5S为传输层、以铅基卤化物钙钛矿为吸收层的太阳电池进行模拟,主要研究了该器件的材料厚度、掺杂浓度、禁带宽度等因素对太阳电池性能的影响。结果表明:当光吸收层(CH₃NH₃PbI₃)厚度开始增大时电池性能逐渐提高,但是增大到一定厚度时,电池性能下降,光吸收层的最佳厚度为400 nm;当光吸收层的缺陷态密度小于1.0×10¹⁴ cm^-3时,缺陷态密度对电池性能的影响比较小;此外,铅基卤化物钙钛矿的禁带宽度对电池性能有重要影响,最佳禁带宽度为1.5 eV左右。通过模拟,得到了优化后的性能参数为:开路电压为1.010 V,短路电流密度为31.30 mA/cm²,填充因子为80.01%,电池转换效率为25.20%。因此,Cu₂O/CH₃ NH₃PbI₃/Cd_0.5Zn_0.5S钙钛矿太阳电池是一种很有发展潜力的光伏器件。     

纳米球和核壳纳米球对有机太阳能电池光吸收增强效果的研究

研究了SiO2纳米球、Ag纳米球、SiO2@Ag核壳纳米球、Ag@SiO2核壳纳米球结构分别掺杂到有机太阳能电池的活性层中对器件活性层的光捕获能力增强作用.结果显示:相较于等效的平板结构,掺杂SiO2介质球使活性层光吸收提高了9.95;;Ag金属球则带来11.0;光吸收增强.表明在有机太阳能电池中的活性层中掺杂参数优化的金属球和介质球都能够带来活性层光吸收增强.另外,对活性层中掺杂核壳纳米球结构的研究表明:掺杂SiO2@Ag核壳纳米球的活性层光吸收随着包覆层厚度的增加而增加,当Ag壳厚度为16 nm时,增强效果与掺杂最优的介质球的效果接近,而且两者增强谱也基本相同;掺杂Ag@SiO2核壳纳米球结构中活性层光吸收随着介质包覆层厚度增加而减弱,当包覆层厚度为1 nm时,吸收效果与金属球相当,且吸收谱也是基本相同.通过在有机太阳能电池活性层中掺杂介质球、金属球以及核壳纳米球所带来的活性层光吸收增强效果的研究,为选择掺杂纳米球和核/壳纳米球来提高光捕获能力提供了指导.     

Synthesis of colloidal NiO nanocrystals by a hot‐injection approach with a protecting ligand

We synthesize small and uniform NiO nanocrystals, which can be potential for hole‐transporting of organic solar cells and transparent conducting material, based on a protecting ligand of lithium stearate by a hot‐injection method. And the reaction mechanism is alcoholysis of metal carboxylate salts with the protection ligand of lithium stearate binding to the surfaces of NiO nanocrystals to prevent them reduction into Ni. We find that the hot‐injection method is an effective way to prepare narrow size distribution and small size of NiO nanocrystals. The relatively superior optical transparency and flat surface features of the NiO nanocrystal thin films are also obtained.     

Drift-mobility characterization of silicon thin-film solar cells using photocapacitance

We have applied the photocapacitance method to the measurements of hole drift-mobilities in silicon solar cells. We found a simple analysis that yields drift-mobilities even in the presence of anomalously dispersive transport. On one thick sample we measured the hole drift-mobility using both the photocapacitance and the time-of-flight methods; the two methods gave results that were consistent with each other and with the established bandtail multiple-trapping model. We then applied the method to thinner samples that are more characteristic of the conditions in solar modules, but are not generally usable for the time-of-flight method. These samples showed much smaller hole drift-mobilities than expected from the bandtail trapping model. We speculate that the hole drift-mobility has smaller values in regions close to the substrate during deposition than has been reported for thicker samples.     

Hole mobilities and the physics of amorphous silicon solar cells

The effects of low hole mobilities in the intrinsic layer of pin solar cells are illustrated using general computer modeling; in these models electron mobilities are assumed to be much larger than hole values. The models reveal that a low hole mobility can be the most important photocarrier transport parameter in determining the output power of the cell, and that the effects of recombination parameters are much weaker. Recent hole drift-mobility measurements in a-Si:H are compared. While hole drift mobilities in intrinsic a-Si:H are now up to tenfold larger than two decades ago, even with recent materials a-Si:H cells are low-mobility cells. Computer modeling of solar cells with parameters that are consistent with drift-mobility measurements give a good account for the published initial power output of cells from United Solar Ovonic Corp.; deep levels (dangling bonds) in the intrinsic layer were not included in this calculation. Light-soaking creates a sufficient density of dangling bonds to lower the power from cells below the mobility limit, but in contemporary a-Si:H solar cells degradation is not large. We discuss the speculation that light-soaking is ‘self-limiting’ in such cells.     

空气中旋涂热解快速制备高化学计量比SnS2薄膜

为快速制备高化学计量比的SnS2薄膜,介绍了一种简单的旋涂热解法,以SnCl4·5H2O和硫脲分别为Sn源和S源,在空气中及热解温度分别为200℃、260℃和320℃时制备了系列SnS2薄膜,这是首次使用旋涂热解法制备SnS2薄膜的尝试.采用EDS、XRD、Raman、SEM、UV-Vis等手段研究了热解温度对SnS2薄膜元素组成、晶相、形貌、光学吸收等的影响,在热解温度为260℃且仅需热解2min条件下,获得了Sn/S原子比为1/1.98的高化学计量比SnS2薄膜,该薄膜直接禁带宽度为2.50eV,非常适合作为太阳能电池窗口层.     

基于咔唑的新型空穴传输材料及其在PSC中的应用

为了开发新型的太阳能电池关键材料,合成了一种新的基于咔唑的小分子材料Cz-3Th,将其用作空穴传输材料(HTM)成功地应用到钙钛矿太阳能电池当中.这种新型的小分子材料两步反应即可合成,原料易得且成本较低.在使用低温溶液处理的SnO2纳米颗粒作为电子传输层的CH3NH3PbI3钙钛矿太阳能电池中,以Cz-3Th为空穴传输层,在100 mW/cm2 AM 1.5 G光照条件下获得0.75 V的开路电压(Voc),光电转化效率(PCE)为2.68;.因此,在未来趋势为环境友好和低成本效益的钙钛矿太阳能电池中Cz-3Th有很大发展潜力.     

基于掺杂二氧化硅包覆银纳米球的有机太阳能电池光吸收提高的研究

虽然介质包覆的金属纳米颗粒已经在试验中频繁应用到太阳能电池中,通过减少金属表面激子的猝灭和电荷的复合来提高电池性能.但是基本没有理论研究工作去解释金属颗粒的介质包覆层是如何影响器件的光学性能.本文从理论计算角度研究了二氧化硅包覆银纳米球掺杂在有机太阳能电池活性层中对活性层的光捕获的影响.研究结果表明在垂直入射的条件下,在350 nm到850 nm的波段内,加入包覆Ag纳米球的最优器件的活性层对标准太阳光谱(AM 1.5)积分后的光吸收率达到81.5;.与等效的平板结构相比,活性层的光吸收增强了9.54;.具体的场分布的分析得到光吸收增强原因主要是偶极共振、表面等离激元激发以及之间的相互耦合作用所致.经过对结构参数的研究,发现了介质包覆层越薄,增强效果越明显;包覆的介质层的折射率对光吸收性能的影响不是很明显.     

成膜剂对染料敏化太阳电池性能的影响

通过刮涂法将P25粉的乙醇体系配制的TiO_2浆料制备成光阳极中的TiO_2薄膜,在TiO_2浆料中分别加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和乙基纤维素(M70),作对比实验,研究发现加入PVP制备的TiO_2薄膜的宏观和微观结构都得到了明显的改善,其影响了TiO_2薄膜的孔隙率、比表面积和染料的吸附量,显著改善了染料敏化太阳电池性能,短路电流由5.59 mA/cm~2增到11.31 mA/cm~2,电池效率由2.70;增到5.31;(AM1.5).