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基于光子晶体的有机太阳能电池研究进展

物理学报 2021年第12期70卷 416-425页

作者：兰伟霞顾嘉陆高晓辉廖英杰钟宋义张卫东彭艳孙钰魏斌海洋智能无人系统装备教育部工程研究中心上海大学机电工程与自动化学院上海200444 上海交通大学电子信息与电气工程学院微米/纳米加工技术国家级重点实验室上海200240 新型显示技术及应用集成教育部重点实验室上海大学机电工程与自动化学院上海200444

随着近几年来光伏产业的迅速发展,有机太阳能电池因其成本低、重量轻、易于成批次生产、制作工艺简单和可制备成柔性器件等优点备受研究人员关注.目前,有机太阳能电池存在光电转换效率偏低、半透明器件显色性较差等问题,光子晶体的引入... 详细信息

随着近几年来光伏产业的迅速发展,有机太阳能电池因其成本低、重量轻、易于成批次生产、制作工艺简单和可制备成柔性器件等优点备受研究人员关注.目前,有机太阳能电池存在光电转换效率偏低、半透明器件显色性较差等问题,光子晶体的引入为解决上述问题提供了新思路.本文从光子晶体的结构特性和优化原理入手,系统性地介绍了一维光子晶体和二维光子晶体对有机太阳能电池的优化效果,着重分析了一维光子晶体和二维光子晶体引起有机太阳能电池短路电流和光电转换效率提升的原因;另外,本文也详细阐述了一维光子晶体可用于调节半透明器件显色性的原因.最后,结合现有的有机光电器件研究进展,本文对基于光子晶体的有机太阳能电池未来的研究方向进行了展望.

关键词：光子晶体有机太阳能电池光伏特性显色性

太赫兹光谱技术在表征双相无机钙钛矿材料特性中的应用

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半导体技术 2024年第7期 682-688页

作者：常青程士嘉侯文鑫王引书南洋理工大学电子电气工程学院北京师范大学珠海校区教务部实验教学平台北京师范大学珠海校区文理学院北京师范大学珠海校区未来教育学院

钙钛矿材料制备过程中的成分监控与表征对材料科学与钙钛矿技术的发展至关重要。采用时间分辨太赫兹光谱(TRTS)技术对双相CsPbBr3-CsPb2Br5薄膜材料在光泵浦作用下的光致电导特性进行了详细分析。通过观察和区分不同成分的Cs-Pb-Br三元... 详细信息

钙钛矿材料制备过程中的成分监控与表征对材料科学与钙钛矿技术的发展至关重要。采用时间分辨太赫兹光谱(TRTS)技术对双相CsPbBr3-CsPb2Br5薄膜材料在光泵浦作用下的光致电导特性进行了详细分析。通过观察和区分不同成分的Cs-Pb-Br三元钙钛矿材料的光谱特征，确认了不同声子模式的来源。通过使用Drude-Smith模型的延伸模型对样品的光致电导进行拟合分析，进一步探究了薄膜材料的载流子动力学过程以及晶体结构的变化过程。本实验为太赫兹时域光谱技术在钙钛矿鉴别中的应用提供了新的视角，也为钙钛矿材料在光伏领域的潜在应用提供了坚实的理论依据。

关键词：钙钛矿时间分辨太赫兹光谱(TRTS) 载流子动力学光学声子光伏特性

Si衬底Cu_(2)ZnSnS_(4)太阳能电池的数值分析

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物理学报 2021年第10期70卷 340-348页

作者：刘辉城许佳雄林俊辉广东工业大学材料与能源学院广州510006

在Si衬底上制备的Cu_(2)ZnSnS_(4)(CZTS)太阳能电池具有CZTS与Si衬底的晶格失配低的优点,但目前其转换效率仍较低.本文采用异质结太阳能电池仿真软件Afors-het对Si衬底CZTS太阳能电池进行数值计算.对现有的p-CZTS/n-Si太阳能电池的计算... 详细信息

在Si衬底上制备的Cu_(2)ZnSnS_(4)(CZTS)太阳能电池具有CZTS与Si衬底的晶格失配低的优点,但目前其转换效率仍较低.本文采用异质结太阳能电池仿真软件Afors-het对Si衬底CZTS太阳能电池进行数值计算.对现有的p-CZTS/n-Si太阳能电池的计算结果表明,在该电池结构中p-CZTS和n-Si分别起窗口层和吸收层的作用,但p-CZTS具有高光吸收系数,使大部分入射光无法透过p-CZTS层进而被n-Si吸收,限制了电池的转换效率.本文提出以p-Si作为衬底的n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池结构.计算得到的p-CZTS/p-Si结构的暗态电流密度-电压(J–V)特性曲线均为线性曲线,表明p-CZTS与p-Si为欧姆接触以及p-Si作为p-CZTS的背电极的可行性.进一步计算了p-Si的厚度与掺杂浓度、p-CZTS的厚度与掺杂浓度对n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池光伏特性的影响,在不考虑寄生串并联电阻效应和缺陷态的理想情况下,电池的最高转换效率为28.41%.本文计算结果表明,n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池可解决现有p-CZTS/n-Si结构存在的问题,是一种合适的Si衬底CZTS太阳能电池结构.

关键词： Cu_(2)ZnSnS_(4) Si 背电极光伏特性

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SnO2薄膜对锆钛酸铅光电性能的提升

硅酸盐学报 2019年第10期47卷 1473-1477页

作者：岳建设李祯王晓芳李尔波师娜咸阳师范学院化学与化工学院

锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜具有良好的铁电–光伏特性,是性能优良的光电器件材料。使用溶胶–凝胶法在单晶硅上制备PZT铁电薄膜,为了增加PZT薄膜的光伏特性,使用气相沉积技术在PZT薄膜表面沉积一层SnO2半导体薄膜。结果表明:光电转化效率从7... 详细信息

锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜具有良好的铁电–光伏特性,是性能优良的光电器件材料。使用溶胶–凝胶法在单晶硅上制备PZT铁电薄膜,为了增加PZT薄膜的光伏特性,使用气相沉积技术在PZT薄膜表面沉积一层SnO2半导体薄膜。结果表明:光电转化效率从7.32×10–6提高至2.17×10–5,提升了约2倍。SnO2薄膜能够消除电极与PZT之间的Schottky势垒,有效地分离所产生的电子–空穴对,显著增加PZT的光电流,对PZT极化后,使退极化电场与SnO2/PZT界面电场方向一致,在二者电场的共同作用下,可以进一步分离光生电子–空穴,PZT的光电流提高了1倍。

关键词：锆钛酸铅光伏特性氧化锡薄膜化学气相沉积

缺陷离子调控对BiFeO3-BaTiO3基钙钛矿材料的铁电光伏特性影响

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物理学报 2019年第21期68卷 271-279页

作者：朱立峰潘文远谢燕张波萍尹阳赵高磊北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 中国科学院声学研究所北京100190

BiFeO3-BaTiO3铁电材料具有优异的压电和铁电性能,近年来受到广泛的关注.该材料既保持了BiFeO3体系高的自发极化强度Ps的优点,也克服了BiFeO3体系难以合成纯钙钛矿相等缺点,被认为是非常有前景的铁电、压电以及光伏材料.本文采取传统固... 详细信息

BiFeO3-BaTiO3铁电材料具有优异的压电和铁电性能,近年来受到广泛的关注.该材料既保持了BiFeO3体系高的自发极化强度Ps的优点,也克服了BiFeO3体系难以合成纯钙钛矿相等缺点,被认为是非常有前景的铁电、压电以及光伏材料.本文采取传统固相法制备了Bi(Fe0.96Mg0.02– xTi0.02+x)O3-0.3BaTiO3铁电陶瓷,并揭示了Mg^2+/Ti4^+比例的变化对该陶瓷样品的铁电和压电以及光电性能的影响.由于Ti4+取代Mg^2+产生电子,导致陶瓷样品的导电性能增加,压电和铁电性能出现恶化,其压电系数d33从x=0的195 pC/N下降至x=0.02时的27 pC/N.与之相反的是,Ti4^+取代Mg^2+扩宽了陶瓷样品的光吸收范围,使陶瓷样品的禁带宽度由x=0的1.954 eV下降至x=0.02时的1.800 eV.由于偶极子翻转构建的内偏电场和禁带宽度的降低等方面的相互作用,陶瓷样品的光电流密度J由x=0时的3.71 nA/cm^2增加至x=0.02时的32.45 nA/cm^2.

关键词：铁酸铋铁电材料光伏特性钙钛矿结构

基于SnO2/MoS2电子传输层的硅基光伏器件制备及性能研究

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基于SnO2/MoS2电子传输层的硅基光伏器件制备及性能研究

作者：张路凯河北大学

学位级别：硕士

作为二维半导体材料,二硫化钼(Mo S)具有带隙可调(1.86 e V～1.29 e V)、高载流子迁移率(～100 cm/Vs)和高的光学吸收系数(～5×10cm)等特性,光伏器件应用探索已成为其重要研究方向。磁控溅射制备的Mo S薄膜存在较大缺陷态以及结晶性较... 详细信息

作为二维半导体材料,二硫化钼(Mo S)具有带隙可调(1.86 e V～1.29 e V)、高载流子迁移率(～100 cm/Vs)和高的光学吸收系数(～5×10cm)等特性,光伏器件应用探索已成为其重要研究方向。磁控溅射制备的Mo S薄膜存在较大缺陷态以及结晶性较低等问题,为此本文采用后退火工艺对附加栅极磁控溅射技术所制备的Mo S薄膜进行处理,研究了后退火工艺中压强调节对Mo S薄膜微结构及光电特性的影响规律;其次,在p-Si和Mo S界面插入Sn O缓冲层薄膜,研究了后退火工艺对Mo S/Sn O/p-Si异质结太阳能电池光伏性能的影响规律;最后,采用Mo S/Sn O双电子传输层,制备了n-Si/Sn O/Mo S结构的光伏器件,研究了Sn O缓冲层厚度以及后退火工艺中压强及时间因素对电池光电转换特性的提升机制,具体包括以下内容:(1)通过常温条件下附加栅极的磁控溅射技术制备Mo S薄膜,并研究了退火压强对Mo S薄膜光电特性和表面微观结构的调整特性。测试结果表明,Mo S薄膜沿晶向择优生长,随退火压强的增加,处特征峰值呈现先增强后减弱的趋势在150 Pa条件下达到最佳结晶度。此时所制备Mo S薄膜E能472 me V、光学带隙Eg1.365 e V、B因子459,薄膜的光学能带结构无序性有所改善。XPS分析结果表明,相较于低退火压强,150 Pa下Mo S薄膜Mo占比提升,而高价态Mo离子占比下降。薄膜的电学方面测量测试结果表明,150 Pa退火压强下所制备Mo S薄膜电阻率最小16.1Ω·cm,霍尔迁移率为682.5 cm/(V·s)。(2)采用附加栅极磁控溅射技术以及溶胶-凝胶法制备Mo S/Sn O双层薄膜,研究了Sn O缓冲层对Mo S/Sn O/p-Si异质结太阳能电池光电转换特性的影响。测试结果表明,Sn O缓冲层插入有效提升了Mo S/p-Si异质结太阳能电池各项电学性能参数。光伏性能分析揭示,随着退火压强和退火时间的增加,电池的短路电流、开路电压以及FF因子均呈现先增加后减小的变化趋势,在退火压强150 Pa,退火时间30 min时所制备的Mo S/Sn O/p-Si异质结太阳能电池表现出最优性能,此时电池耗尽区宽度为610 nm,界面电场强度V高达615 m V。(电池V达到344 m V,J达到33 m V/cm,FF因子达到57%,PCE达到6.02%)。(3)将SnO/MoS双电子传输层应用于产业化晶硅太阳电池的背反射场(BSF),通过调节Sn O/Mo S薄膜的退火压强、退火时间以及Sn O缓冲层厚度研究n-Si/Sn O/Mo S结构光伏器件的最佳制备条件。测试结果表明,随着退火压强与退火时间的增加,n-Si/Sn O/Mo S光伏器件的各项特性表现出先升高后降低的变化趋势,退火压强为150 Pa退火时间为30 min得到n-Si/Sn O/Mo S光伏器件优异的特性(V达到627 m V,J达到36.1 m V/cm,FF因子达到49.36%,PCE达到11.3%)。对于Sn O缓冲层厚度对于电池光电性能的调整作用,在Sn O溶液旋涂转速在3500 r/min时获得了性能较优的Sn O界面缓冲层,Si/Mo S界面复合电流得到有效地抑制,器件J降低至3.236×10A/cm,界面载流子传输增强,n因子最小值为1.049,此时获得了效率高达12.0%的太阳电池器件(V:635 m V,J:36.3 m A/cm,FF因子:57%)。

关键词：磁控溅射后退火 Si/SnO2/MoS2异质结太阳电池双电子传输层光伏特性

有机太阳能电池高结晶性小分子给体设计及形貌研究

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有机太阳能电池高结晶性小分子给体设计及形貌研究

作者：李祎天津大学

学位级别：硕士

有机太阳能电池作为新能源领域的组成之一，由于具有可溶液加工、制备工艺简单、重量较轻以及可制备成柔性和半透明器件等优点，对传统光伏技术进行了有效加强并拓展了新应用场景。高光电转化效率和对于光热的高稳定性的光伏器件是实现... 详细信息

有机太阳能电池作为新能源领域的组成之一，由于具有可溶液加工、制备工艺简单、重量较轻以及可制备成柔性和半透明器件等优点，对传统光伏技术进行了有效加强并拓展了新应用场景。高光电转化效率和对于光热的高稳定性的光伏器件是实现商业化应用的必要条件，因此研发新活性层材料至关重要。小分子相对聚合物具有批次稳定、易于合成纯化的特点，同时高结晶性也有利于提升相纯度，基于上述优点高结晶性小分子给体设计展现了较好的前景。同时活性层形貌是决定器件性能的关键因素、因为其决定了所有中间状态的分布（如激子、电荷转移态），及其可能的过程（如电荷转移），最终本论文研究了小分子给体在聚合物受体和小分子受体体系内的光伏器件制备及形貌与结构关联性。　　（1）研究了小分子给体-聚合物受体体系，基于A-π-D-π-A体系小分子给体设计和聚合物受体优异的光热稳定性及两者较大的分子量差异导致其扩散速度和溶解度不同而探究了形貌控制。合成的两个π桥上烷基链靠近和远离给电子核的小分子给体，以Se-2为给体，PJ1为受体的有机太阳能电池可以实现10.3％的能量转化效率（PCE），是论文发表时小分子给体\聚合受体体系的最高效率。通过GIWAXS表征堆积方式探究了光伏器件Voc变化原因，激子解离和复合方面测试解释了其Jsc和FF的变化趋势。最后揭示了小分子给体-聚合物受体体系的有机太阳能电池进一步提升思路为改进Flory–Huggins相互作用参数。　　（2）研究了小分子给体-小分子受体体系，基于设计合成高结晶度的A-π-D-π-A体系的分子并利用其与所选小分子受体结晶度差异来探究了该体系形貌调节。合成的五个给体结构在给电子核共轭程度，侧链支点位置、端基碳链长短、π-bridge两两不同，探究了不同结构位置对该体系形貌影响，其中DTBDT-C3-D6为给体，Y6为受体的光伏器件PCE可达16%。通过AFM观察表层形貌，TEM观察体相形貌，发现共混膜形成了纤维状形貌，并揭示了分子结构和形貌关联性。最终阐明了该纤维状形貌由高结晶度给体和热退火处理诱导，且其中分子结构中给电子核的共轭程度和π桥部分改变影响较大，对后续高结晶度小分子给体结构改进设计给予了一些建议。

关键词：有机太阳能电池高结晶性小分子给体光伏特性活性层形貌

基于NiO空穴传输层的CH_3NH_3PbI_3钙钛矿太阳能电池的光伏特性

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中国科学：物理学、力学、天文学 2019年第1期49卷 62-71页

作者：翟文静邢玉陟张叶王颖玥李鲁涛魏明龙江雪邱晓燕西南大学物理科学与技术学院重庆400715

从2009年至今,基于卤族元素的有机-无机杂化钙钛矿薄膜太阳能电池由于简单的制备工艺和优良的光电转化效率,成为有望替代传统硅基太阳能电池的一种新型太阳能电池,由于其通常采用价格昂贵的有机空穴/电子传输层材料,所以虽然可获得较高... 详细信息

从2009年至今,基于卤族元素的有机-无机杂化钙钛矿薄膜太阳能电池由于简单的制备工艺和优良的光电转化效率,成为有望替代传统硅基太阳能电池的一种新型太阳能电池,由于其通常采用价格昂贵的有机空穴/电子传输层材料,所以虽然可获得较高的光电转化效率,但生产成本较高.本文选用价格低廉性质稳定的NiO为空穴传输层材料,利用旋涂热解法在导电ITO玻璃上制备平整致密的NiO薄膜,然后采用两步溶液法,在其上制备平均粒径约为150 nm的CH_3NH_3PbI_3吸光层,最后组装成ITO/NiO/CH_3NH_3PbI_3/PCBM/Ag平面倒置异质结型电池单元.本文对比研究了不同退火温度制备NiO薄膜的表面形貌和晶体结构,以及制备的电池单元的光伏性能.本文对比实验结果表明, 500°C退火处理的NiO薄膜最平整致密,以其为空穴传输层的未封装电池单元在大气环境中进行模拟太阳光辐照测试,可获得7.63%的光电转化效率和>1 V的开路电压,优于类似条件下制备的以NiO为空穴传输层的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池.

关键词：有机-无机杂化钙钛矿薄膜 NiO空穴传输层光伏特性

石墨烯/n-Si异质结光伏及光响应性能研究

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稀有金属 2015年第7期39卷 599-604页

作者：吴革明曾亭赵鸿滨魏峰杜军屠海令北京有色金属研究总院先进电子材料研究所北京100088 北京有色金属研究总院国家半导体材料工程技术研究中心北京100088

采用化学气相沉积法(CVD)在铜箔上制备石墨烯,与n型硅(n-Si)形成石墨烯/n-Si异质结并研究了该结构的光伏和光响应性能。采用拉曼光谱和高分辨透射电镜(HRTEM)分析对石墨烯的结构进行了表征,并通过制备和测试石墨烯场效应晶体管考察了石... 详细信息

采用化学气相沉积法(CVD)在铜箔上制备石墨烯,与n型硅(n-Si)形成石墨烯/n-Si异质结并研究了该结构的光伏和光响应性能。采用拉曼光谱和高分辨透射电镜(HRTEM)分析对石墨烯的结构进行了表征,并通过制备和测试石墨烯场效应晶体管考察了石墨烯的电学性能。采用光刻、等离子刻蚀等工艺将石墨烯与n-Si结合制备成异质结,在标准光源下对其光电性能进行测试。结果表明石墨烯为单层且呈现p型输运特性,载流子迁移率为3900 cm2·V-1·s-1。在无光照条件下,石墨烯/n-Si异质结表现出较好的整流特性。加上光照之后,表现出良好的光伏性能,开路电压和短路电流分别为0.28 V和0.87 m A,填充因子为0.37。同时该异质结在光响应测试中表现出非常快的响应速度和良好的稳定性,光源开启和关闭时的弛豫时间分别为96.9和84.9 ms,且在多个循环之后电流大小保持不变。对石墨烯/n-Si异质结良好的光响应及光伏特性的机制进行了简要分析,认为石墨烯高的电子迁移率及良好的光透过性起到了关键性作用。

关键词：石墨烯化学气相沉积异质结光响应光伏特性