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。     

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.     

高效钙钛矿-有机本体异质结杂化串联太阳能电池

制备了一种有机铅卤钙钛矿-有机本体异质结杂化串联太阳能电池。采用紫外可见吸收光谱、原子力显微镜对薄膜形貌进行了表征。结果表明:有机本体异质结层可以有效改善钙钛矿的表面形貌, 增强了可见光的吸收。优化后的串联结构电池的短路电流可达19.14mA/cm², 开路电压为0.76V, 光电转换效率达到了6.54%。钙钛矿电池和有机本体异质结电池串联结构可以同时提高短路电流及填充因子, 二者具有较好的相容性和协同作用。     

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     

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.     

有机-无机杂化钙钛矿材料的本征稳定性

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已逾24%,效率的飞速提升加之可低成本溶液法制备的市场优势,使人们越来越期待钙钛矿太阳能电池的商业化.目前钙钛矿太阳能电池商业化所面临最大的障碍是材料乃至器件的长期不稳定性,这使其无法在使用寿命上与已商品化的硅基等太阳能电池匹敌.本文从化学不稳定性和相不稳定性两个层面剖析了有机-无机杂化钙钛矿材料本征不稳定性的问题,并从组分设计及制备工艺等角度给出了提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的相关建议.     

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.     

“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     

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。     

CH3NH3I在制备CH3NH3PbI(3-x)Clx钙钛矿太阳能电池中的作用

利用具有钙钛矿结构的有机-无机杂化卤化物制备的太阳能电池, 由于具有溶液可加工性和高光电转换效率, 受到了广泛关注. 在目前报道的最高光电转换效率的器件中, 采用了CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x碘氯混合钙钛矿作为吸光层, 据报道在这种材料中光电子的扩散长度可以超过1 μm. 本文综述了在CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x方面现有的研究工作, 指出了薄膜制备条件的重要性, 并研究了CH₃NH₃I在PbCl₂/CH₃NH₃I热解法制备CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x吸光层中的作用. 扫描电子显微镜研究表明CH₃NH₃I加入量为PbCl₂的2倍到2.75倍时, CH₃NH₃I加入量的增加可以提高CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x吸光层的覆盖度和结晶度, CH₃NH₃I加入量进一步增加到3倍时, 形貌变化不大. X射线光电子能谱的数据证实了CH₃NH₃I加入量对覆盖度的影响, 并显示在CH₃NH₃I加入量大于PbCl₂的2.5倍以后, CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x中氯的掺入量急剧下降. 光电测试表明器件性能随CH₃NH₃I加入量增加而增加, 在CH₃NH₃I/PbCl₂为3/1时达到最高, 加入量略小于3/1对性能影响不大.     

有机阳离子对卤素钙钛矿太阳能电池性能的影响

采用第一性原理计算了CH_3NH_3PbI_3中有机部分CH_3NH_3~+和CH_3NH_3的静电特性.结果表明:CH_3NH_3~+具有强的亲电特性,CH_3NH_3的CH_3~-端具有弱亲电性,而NH_3~-端具有弱亲核性.发现在CH_3NH_3PbI_3中CH_3NH_3~+之间强静电排斥作用在相变中起着重要的作用,且在室温条件下CH_3NH_3~+在无机笼中具备活性和无序的特性,使得TiO_2/CH_3NH_3PbI_3异质结中n型TiO_2的电子通过界面扩散到CH_3NH_3PbI_3材料,并与CH_3NH_3~+结合形成CH_3NH_3,CH_3NH_3的静电特性导致在内建电场作用下更容易取向,取向的CH_3NH_3周围形成的静电场会变得更弱和更加均匀.这对无机框架上载流子的产生和传输更加有利,这样的异质结比传统的pn结具有更大优势.这是CH_3NH_3PbI_3太阳能电池高的光电转换效率的重要原因.     

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.     

Temperature-dependent photoluminescence on organic-inorganic metal halide perovskite CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x prepared on ZnO/FTO substrates using a two-step method

Temperature-dependent photoluminescence characteristics of organic-inorganic halide perovskite CH_3NH_3Pb I_(3-x)Cl_x films prepared using a two-step method on ZnO/FTO substrates were investigated. Surface morphology and absorption characteristics of the films were also studied. Scanning electron microscopy revealed large crystals and substrate coverage. The orthorhombic-to-tetragonal phase transition temperature was~140 K. The films' exciton binding energy was 77.6 ± 10.9 meV and the energy of optical phonons was 38.8 ± 2.5 meV. These results suggest that perovskite CH_3NH_3Pb I_(3-x)Cl_x films have excellent optoelectronic characteristics which further suggests their potential usage in perovskitebased optoelectronic devices.     

新型碳材料在钙钛矿太阳电池中的应用研究进展

新型碳材料如石墨烯及其氧化物、碳纳米管、富勒烯及石墨炔等因其优异的热学、力学、电学、光学性能成为了钙钛矿太阳电池研究的又一亮点. 本文总结了新型碳材料在钙钛矿太阳电池对电极、电子传输材料及空穴传输材料中的研究进展, 新型碳材料的引入有效地提高了钙钛矿电池的性能, 为下一步新型碳材料的应用开发以及钙钛矿电池器件的研究提供了新的思路.     

High efficiency ETM-free perovskite cell composed of CuSCN and increasing gradient CH3NH3PbI3

To enhance device performance and reduce fabrication cost,a series of electron transporting material(ETM)-free perovskite solar cells(PSCs)is developed by TCAD Atlas.The accuracy of the physical mode of PSCs is verified,due to the simulations of PEDOT:PSS-CH₃NH₃PbI₃-PCBM and CuSCN-CH₃NH₃PbI₃-PCBM p-i-n PSCs showing a good agreement with experimental results.Different hole transporting materials(HTMs)are selected and directly combined with n-CH₃NH₃PbI₃,and the CuSCN-CH₃NH₃PbI₃ is the best in these ETM-free PSCs.To further study the CuSCN-CH₃NH₃PbI₃ PSC,the influences of back electrode material,gradient band gap,thickness,doping concentration,and bulk defect density on the performance are investigated.Energy band and distribution of electric field are utilized to optimize the design.As a result,the efficiency of CuSCN-CH₃NH₃PbI₃ PSC is achieved to be 26.64%.This study provides the guideline for designing and improving the performances of ETM-free PSCs.     

溶剂对钙钛矿薄膜形貌和结晶性的影响研究

溶剂对钙钛矿太阳能电池器件有着至关重要的影响. 基于目前常用的N, N-二甲基甲酰胺(DMF)和丁内酯(GBL)溶剂, 一步溶液旋涂技术和介孔电池结构, 制备的钙钛矿薄膜的形貌、结晶性, 以及最终的器件光电转化效率存在较大的差异, 利用DMF作为溶剂, 效率仅为2.8%, 而基于GBL的电池效率可以达到10.1%. 结合SEM, HRTEM, XRD和UV等表征手段, 分析了钙钛矿从DMF溶液和GBL溶液中结晶析出的不同机理, 明确了溶剂跟PbI₂的配位作用对钙钛矿的溶解、析出过程的制约作用, 揭示了造成器件效率差异的本质原因.     

Device simulation of lead-free CH_3NH_3SnI_3 perovskite solar cells with high efficiency

The lead-free perovskite solar cells(PSCs) have drawn a great deal of research interest due to the Pb toxicity of the lead halide perovskite.CH_3NH_3SnI_3 is a viable alternative to CH_3NH_3PbX_3,because it has a narrower band gap of 1.3 eV and a wider visible absorption spectrum than the lead halide perovskite.The progress of fabricating tin iodide PSCs with good stability has stimulated the studies of these CH_3NH_3SnI_3 based cells greatly.In the paper,we study the influences of various parameters on the solar cell performance through theoretical analysis and device simulation.It is found in the simulation that the solar cell performance can be improved to some extent by adjusting the doping concentration of the perovskite absorption layer and the electron affinity of the buffer and HTM,while the reduction of the defect density of the perovskite absorption layer significantly improves the cell performance.By further optimizing the parameters of the doping concentration(1.3 × 10~(16) cm~3) and the defect density(1 × 10~(15) cm~3) of perovskite absorption layer,and the electron affinity of buffer(4.0 eV) and HTM(2.6 eV),we finally obtain some encouraging results of the J_(sc) of 31.59 mA/cm~2,V_(oc) of 0.92 V,FF of 79.99%,and PCE of 23.36%.The results show that the lead-free CH_3NH_3SnI_3 PSC is a potential environmentally friendly solar cell with high efficiency.Improving the Sn~(2+) stability and reducing the defect density of CH_3NH_3SnI_3 are key issues for the future research,which can be solved by improving the fabrication and encapsulation process of the cell.     

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.