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平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展

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物理学报 2015年第3期64卷 36-53页

作者：王福芝谭占鳌戴松元李永舫华北电力大学新型薄膜太阳电池北京市重点实验室北京102206 华北电力大学能源的安全与清洁利用北京市重点实验室北京102206 中国科学院化学研究所有机固体实验室北京100190

高效低成本太阳电池的研发是太阳能光伏技术大规模推广应用的关键.近年来兴起的有机-无机杂化钙钛矿(以下简称钙钛矿)太阳电池因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点,引起了学术界和产业界的广泛关注,具有广阔的发展前景.其中... 详细信息

高效低成本太阳电池的研发是太阳能光伏技术大规模推广应用的关键.近年来兴起的有机-无机杂化钙钛矿(以下简称钙钛矿)太阳电池因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点,引起了学术界和产业界的广泛关注,具有广阔的发展前景.其中平面异质结钙钛矿太阳电池因具有结构简单,可低温制备等诸多优点,成为目前研究的一个重要方向.平面异质结钙钛矿太阳电池分为n-i-p型和p-i-n型两种结构.其中钙钛矿分别与电子传输层和空穴传输层形成两个界面,在这两个界面上实现电子和空穴的快速分离.电子传输层和空穴传输层分别为电子和空穴提供了独立的输运通道.平面异质结结构有利于钙钛矿太阳电池中电子和空穴的分离、传输和收集.此外,该结构不需要高温烧结的多孔结构氧化物骨架,扩大了电子和空穴传输材料的选择范围.可以根据钙钛矿材料的能带分布及载流子传输特性,来选择能级和载流子传输速率更为匹配的传输材料.本文对钙钛矿的材料特性,平面异质结结构的由来及发展进行了简要的概述.其中重点介绍了平面异质结钙钛矿太阳电池的结构特征、工作机理、钙钛矿/电荷传输层的界面特性,以及电池性能的优化,包括钙钛矿薄膜制备、空穴和电子传输层的优化等.最后对钙钛矿电池的发展前景及存在问题进行了阐述,为今后高效、稳定钙钛矿太阳电池的研究提供参考.

关键词：钙钛矿太阳电池平面异质结电子传输层空穴传输层

铯铅卤化物钙钛矿型平面异质结LED的应用与发展

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无机材料学报 2019年第1期34卷 37-48页

作者：章楼文沈少立李露颖张智刘逆霜高义华华中科技大学物理学院武汉430074 华中科技大学武汉光电国家研究中心纳米表征与纳米器件中心武汉430074

由于优异的光电性能与环境稳定性,全无机铯铅卤化物CsPbX_3(X=Cl, Br, I)钙钛矿材料自2015年起逐渐成为光电领域的研究热点,在诸多电子、光电子器件的应用研究中取得了突破性进展,受到了科学界的广泛关注。本综述结合铯铅卤化物钙钛矿... 详细信息

由于优异的光电性能与环境稳定性,全无机铯铅卤化物CsPbX_3(X=Cl, Br, I)钙钛矿材料自2015年起逐渐成为光电领域的研究热点,在诸多电子、光电子器件的应用研究中取得了突破性进展,受到了科学界的广泛关注。本综述结合铯铅卤化物钙钛矿型平面异质结LED的最新研究进展,对器件的结构及其工作原理进行扼要的介绍,并着重从提高LED器件发光性能和工作稳定性方面进行优化策略的归类与总结,最后就稳定高效的无机钙钛矿型平面异质结LED的发展趋势进行了展望。

关键词：铯铅卤化物钙钛矿平面异质结 LED 稳定性掺杂综述

高效平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的质量管理

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物理学报 2018年第15期67卷 241-259页

作者：李少华李海涛江亚晓涂丽敏李文标潘玲杨仕娥陈永生郑州大学物理工程学院材料物理重点实验室郑州450052

基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳电池具有能量转换效率高和制备工艺简单等优点,引起了学术界的高度关注.其中平面异质结结构太阳电池具有结构简单,可与其他类型电池相兼容以构筑叠层电池设计,以及可低温制备等诸多优点,成为当前的一... 详细信息

基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳电池具有能量转换效率高和制备工艺简单等优点,引起了学术界的高度关注.其中平面异质结结构太阳电池具有结构简单,可与其他类型电池相兼容以构筑叠层电池设计,以及可低温制备等诸多优点,成为当前的一个重要研究方向.然而,电池性能的优劣与钙钛矿薄膜质量的高低有着直接的联系.本文对钙钛矿材料的特性、一步溶液法制备薄膜的成核-生长机理、电池结构的演变等进行了概述,其中重点介绍了高质量钙钛矿薄膜溶液法制备过程的一些最新的质量控制方法;最后对钙钛矿太阳电池的发展及存在问题进行了总结和展望,为今后的研究提供参考.

关键词：钙钛矿太阳电池平面异质结质量管理高效率

单层MoSe2-WSe2平面异质结的可控生长及表征

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人工晶体学报 2018年第12期47卷 2457-2463页

作者：段智勇颜元凯顾杰万茜顾晓峰江南大学电子工程系物联网技术应用教育部工程研究中心无锡214122

二维(2D)材料由于其独特的性质和原子级厚度而受到了广泛的关注。尽管目前学术界与工业界已经成功地制备了具有不同光学和电学性质的单种2D材料,但是为了构建用于实际应用的更复杂的器件,必须开发用于制造2D异质结构的策略。在这里主要... 详细信息

二维(2D)材料由于其独特的性质和原子级厚度而受到了广泛的关注。尽管目前学术界与工业界已经成功地制备了具有不同光学和电学性质的单种2D材料,但是为了构建用于实际应用的更复杂的器件,必须开发用于制造2D异质结构的策略。在这里主要研究了单层二硒化钼(MoSe_2)与二硒化钨(WSe_2)平面异质结的生长,以水溶性钼酸铵((NH_4)_6Mo_7O_(24)·4H_2O)与钨酸铵((NH_4)_(10)W_(12)O_(41))分别作为钼源与钨源,通过改进的一步生长法,并调控前驱体反应位置、含量与生长时间、温度等关键生长参数,采用化学气相沉积(CVD)法在SiO_2/Si衬底上制备出平面异质结,并使用光学显微镜,拉曼光谱(RAMAN),光致发光光谱(PL),原子力显微镜(AFM),扫描电子显微镜(SEM)等,对异质结的样貌、物质组分、表面形貌、表面形态等进行表征。分析可见制备的异质结由单层硒化钼与硒化钨组成,且高度为0. 8 nm。这种连续可控的方法具有很强的普适性,为其他多结异质结的制备开辟了道路。

关键词：钼酸铵钨酸铵化学气相沉积平面异质结

平面异质结型钙钛矿太阳能电池的电子传输层制备及性能研究

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平面异质结型钙钛矿太阳能电池的电子传输层制备及性能研究

作者：那日苏吉林大学

学位级别：硕士

为了应对能源危机等问题,人类一直在寻求一种可以代替传统能源的新能源。太阳光是一种无穷无尽的可再生能源,太阳能电池作为有效利用太阳光的佼佼者而深受瞩目。以钙钛矿作为光吸收材料的光伏器件在近几年成为研究热点,钙钛矿太阳能电... 详细信息

为了应对能源危机等问题,人类一直在寻求一种可以代替传统能源的新能源。太阳光是一种无穷无尽的可再生能源,太阳能电池作为有效利用太阳光的佼佼者而深受瞩目。以钙钛矿作为光吸收材料的光伏器件在近几年成为研究热点,钙钛矿太阳能电池的结构一般为导电玻璃/电子传输层/光吸收层/空穴传输层/金属电极。其中电子传输层的作用是将钙钛矿活性层中光伏效应产生的光生电子传导到导电玻璃,阻挡空穴传输进而防止电子-空穴复合等,并且作为钙钛矿生长的载体。本文对电子传输层的制备工艺进行了详细的研究和讨论。1.研究了不同的钙钛矿前驱体溶液的溶剂比例对光吸收层以及电池性能的影响。分别使用N-N二甲基甲酰胺(DMF):二甲基亚砜(DMSO)的体积比例为7:3以及9:1的比例配置溶剂。分别使用不同溶剂进行旋涂制备出钙钛矿活性层。对制备而成的钙钛矿活性层进行表征,并组装成太阳能电池器件,能量转化效率达到了11.50%。2.对钙钛矿太阳能电池的电子传输层制备工艺进行了详细的研究,讨论了两种不同方法制备TiO电子传输层对电池性能的影响。分别采用了乙酰丙酮钛旋涂制备的方法和钛酸丁酯旋涂并用四氯化钛溶液后处理两种方法。研究表明,乙酰丙酮钛旋涂制备法更佳,制备TiO电子传输层的最佳前驱液为1.5mol/L的乙酰丙酮钛溶液。在此基础上提出醋酸腐蚀TiO致密层表面的方法。使用这种方法制备出的TiO电子传输层表面更粗糙,便于与钙钛矿进行贴合。研究了采用这种工艺制备的钙钛矿太阳能电池,腐蚀时间对太阳能电池性能的影响。最终制备出的太阳能电池效率最高达到了13.23%。3.在传统钙钛矿太阳能电池工艺中,钙钛矿活性层与致密TiO往往无法完美结合,导致界面出现很多孔洞,这些缺陷对于电子传输会形成很大的阻碍,进而影响器件性能。对此,我们使用离子吸附的方法引入了一层超薄的Ba TiO附着于致密TiO层表面。Ba TiO具有与CHNHPb I材料相似的晶体结构,可以诱导钙钛矿材料的晶体生长,并使其生长过程更为稳定。通过XPS测试表征了TiO层表面的BaTi O,对钙钛矿活性层进行了SEM观察。研究表明改善后的钙钛矿活性层晶体质量提升,晶界减少而且晶粒尺寸增大。通过将离子吸附次数研究其对钙钛矿太阳能电池性能的影响。结果表明最佳次数为3次,相应的钙钛矿太阳能电池的效率达到了16.15%。

关键词：钙钛矿太阳能电池平面异质结电子传输层能量转换

平面异质结光催化剂的制备及其去除水中抗生素及染料的研究

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平面异质结光催化剂的制备及其去除水中抗生素及染料的研究

作者：穆可磊南开大学

学位级别：硕士

有机污染物中的染料、抗生素等作为新型污染物在水生态环境中已被广泛发现,严重威胁着人类健康。传统的水污染处理技术对其处理效率较低且容易产生有毒有害副产物。作为一种绿色高级氧化技术,光催化反应可以将废水中的染料和抗生素分解... 详细信息

有机污染物中的染料、抗生素等作为新型污染物在水生态环境中已被广泛发现,严重威胁着人类健康。传统的水污染处理技术对其处理效率较低且容易产生有毒有害副产物。作为一种绿色高级氧化技术,光催化反应可以将废水中的染料和抗生素分解为小分子物质,甚至分解为水和二氧化碳。但光生电子与空穴的快速复合致使其光催化活性降低。构建异质结是提升其电子-空穴分离的有效方式,但是传统的异质结在空间上以垂直堆叠形式存在,并且以较弱的范德华力作为异质结界面处的电子驱动力。本文主要通过构建以强化学键力作为界面处的电子驱动力的平面异质结构,来提升光催化剂的光生载流子的分离和转移,继而增强其光催化去除污染物的活性。1.通过自转化过程成功地将无定形碳(AC)引入g-C3N4纳米片中,形成AC/g-C3N4的平面异质结催化剂。开尔文探针原子力显微镜和密度泛函理论计算证实了 g-C3N4与AC在空间上处在同一平面上,且二者以化学键相连。由于g-C3N4与AC的电势不同,因此在二者之间形成表面电场,驱动g-C3N4的光生电子向AC定向转移,且光生空穴仍保留在g-C3N4,延长了载流子的复合距离。同时,AC的sp2杂化π共轭键可以快速捕获和存储由g-C3N4迁移过来的电子,抑制载流子重组,从而聚集更多的电子,促进羟基自由基(·OH)的生成。AC/g-C3N4平面异质结光催化降解四环素和罗丹明B的活性分别是g-C3N4纳米片的2.7倍和4.8倍,这主要归因于其界面电荷的高效分离。2.采用溶剂热反应成功制得了 Cu/Cu2O平面异质结催化剂。通过XRD、TEM、XPS等表征测试证明了 Cu纳米片与Cu2O纳米片在空间上是以平面异质结的方式共存。通过UV-Vis DRS、PL、光电化学等测试手段阐明了 Cu/Cu2O平面异质结光催化活化H2O2降解环丙沙星性能提升的机理:Cu2O被可见光激发后产生的电子通过Cu与Cu2O之间的化学键直接转移到Cu纳米片上,提升了光生电子-空穴的分离效率。聚集在Cu纳米片上的电子与反应体系中的H2O2反应生成强氧化性的·OH,然后降解环丙沙星。Cu/Cu2O在60min内对环丙沙星的去除率达到了 95.4%,分别是Cu、Cu2O的1.4倍和2.6倍。

关键词：光催化平面异质结无定形碳/石墨氮化碳铜/氧化亚铜

平面异质结钙钛矿太阳能电池的制备及性能研究

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平面异质结钙钛矿太阳能电池的制备及性能研究

作者：刘缓南京邮电大学

学位级别：硕士

伴随经济发展所带来的能源短缺及环境破坏问题日益加剧,人们对绿色能源的需求越加急迫。太阳能因其存储量无穷大,绿色无污染,当地开发利用等特征引起了研究人员的高度重视。在已研究出的太阳能电池之中,钙钛矿太阳能电池因其低制备成本... 详细信息

伴随经济发展所带来的能源短缺及环境破坏问题日益加剧,人们对绿色能源的需求越加急迫。太阳能因其存储量无穷大,绿色无污染,当地开发利用等特征引起了研究人员的高度重视。在已研究出的太阳能电池之中,钙钛矿太阳能电池因其低制备成本,高吸光性能,器件结构简单等优势而备受各界关注;本文结合当前钙钛矿太阳能电池的研究进展分别对一步法制备钙钛矿薄膜的制备工艺,不同电子传输层结构对电池器件性能的影响,以及使用有机小分子材料TmPyPb做阴极界面修饰对钙钛矿太阳能电池器件性能的影响进行了研究与探讨。(1)研究一步法制备钙钛矿薄膜的制备工艺并探究退火时间长短及溶液浓度对薄膜性能及器件性能的影响。实验结果发现将MAI和Pb I2溶于GBL和DMSO混合溶液中(7:3 v/v)直接旋涂制作钙钛矿薄膜的一步法能够制备出均匀致密高质量的薄膜。当MAI和Pb I2摩尔比为1:1,吸光层退火时间为5min时,电池器件性能达到最优,在标准光照条件下AM1.5(100mw cm-2),实现了高达12.21%的光电转换效率。(2)研究在无惰性气体及不完全隔绝水的条件下使用不同的电子传输层结构制备钙钛矿太阳能电池器件并探讨不同电子传输层结构对器件的影响。使用不同电子传输层PC71BM/C60,PC61BM/C60,C60制作电池器件,研究结果表明使用电子传输层结构为PC71BM/C60时,电池器件的性能得到了有效的提高,器件的最佳光电转换效率(PCE)为14.08%,平均效率为13.50%。(3)研究在无惰性气体及不完全隔绝水的条件下使用两步法制备以TmPyPb做阴极缓冲层的钙钛矿太阳能电池器件并探究了TmPyPb厚度对电池器件性能的影响。研究发现将MAI溶液和Pb I2溶液分开旋涂制作吸光层的两步法能够制备出高质量的钙钛矿吸光层。使用TmPyPb修饰富勒烯(C60)和金属电极Al之间的界面,能够有效的提高电池器件性能,当TmPyPb的厚度为5nm时,电池器件的光电转换效率高达11.91%,器件性能达到最佳。

关键词：钙钛矿太阳能电池器件平面异质结旋涂技术磁滞效应界面修饰 TmPyPb

平面异质结钙钛矿太阳能电池的制备和溶剂选择

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平面异质结钙钛矿太阳能电池的制备和溶剂选择

作者：林舜泉华中科技大学

学位级别：硕士

随着污染和资源问题越来越尖锐,作为绿色能源的太阳能得到广泛倡导。基于有机/无机复合的钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells,PSCs)就是其中一种清洁能源。钙钛矿具有载体寿命长,扩散长度长和激子在材料界面和材料内都可以分离的... 详细信息

随着污染和资源问题越来越尖锐,作为绿色能源的太阳能得到广泛倡导。基于有机/无机复合的钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells,PSCs)就是其中一种清洁能源。钙钛矿具有载体寿命长,扩散长度长和激子在材料界面和材料内都可以分离的特点,这一特性为“平面异质结(Planar hetero-junction,PHJ)”结构的钙钛矿太阳能电池提供可能,不仅简化了电池的封装工艺,而且有利于低成本的生产应用。在本研究中,我们通过对比研究,选择旋涂(Spin-coating)工艺,使用两步法合成钙钛矿CH3NH3PbI3,并探究不同的合成CH3NH3PbI3的前驱体PbI2的溶剂对其膜层微结构和器件性能的影响的机理。具体内容如下:(1)因为一步法合成的CH3NH3PbI3晶核呈“椭球状”,两步法合成的晶核呈“岛状”,岛状晶核能得到跟电极更大的接触面积,可以提高器件的整体性能。因而选择选用两步法合成CH3NH3PbI3(2)选择旋涂法和ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC71BM/Al平面异质结结构成功组装成能够正常工作的单基板PHJ-PSCs器件。(3)在同一浓度下,分别使用γ-丁内酯(GBL)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基亚砜(DMSO)作为PbI2的溶剂,研究这四种溶剂对CH3NH3PbI3膜层微结构的影响。经使用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)观测后可知我溶剂的溶解度越大且溶剂饱和蒸汽压越大,晶核越大,膜层越厚,其中DMF的晶核和厚度最大。(4)在AM1.5条件下(一个标准太阳光的辐照)测试基于不同PbI2溶剂的电池器件的光伏性能,结果表明:晶核越大,膜层越厚,电池光伏性能越好。当使用DMF为溶剂时,器件的开路电压(Voc)为872mV,能量转化效率(PCE)为5.05%,短路电流(Jsc)和填充因子(FF)、分别为:9.35mA/cm2、0.62,高于其它三种溶剂。

关键词：钙钛矿太阳能电池两步法平面异质结旋涂法碘化铅溶剂选择

基于WO_x/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

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电化学 2016年第4期22卷 382-389页

作者：乔文远郭强李聪马爽王福芝戴松元谭占鳌华北电力大学新型薄膜太阳电池北京市重点实验室北京102206

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(WOx)插入到PEDOT:PSS和FTO之间,形成WOx/PEDOT:... 详细信息

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(WOx)插入到PEDOT:PSS和FTO之间,形成WOx/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WOx/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.

关键词：平面异质结钙钛矿太阳电池空穴传输层氧化钨稳定性