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宽带隙钙钛矿材料及太阳电池的研究进展

物理学报 2020年第20期69卷 144-164页

作者：崔兴华许巧静石标侯福华赵颖张晓丹南开大学光电子薄膜器件与技术研究所天津300350 天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室天津300350 薄膜光电子技术教育部工程研究中心天津300350 化学科学与工程协同创新中心天津300072 南开大学可再生能源转换与储存中心天津300072

金属卤化物钙钛矿太阳电池在近几年获得了巨大进展.目前单结钙钛矿太阳电池转化效率已经达到25.2%.经过带隙调整得到的1.63 eV及以上的宽带隙钙钛矿太阳电池是制备多结叠层太阳电池中顶部吸收层的最佳材料.除高效叠层太阳电池外,宽带隙... 详细信息

金属卤化物钙钛矿太阳电池在近几年获得了巨大进展.目前单结钙钛矿太阳电池转化效率已经达到25.2%.经过带隙调整得到的1.63 eV及以上的宽带隙钙钛矿太阳电池是制备多结叠层太阳电池中顶部吸收层的最佳材料.除高效叠层太阳电池外,宽带隙钙钛矿在光伏建筑一体化以及光解水制氢等领域中也有着广阔的应用前景.然而这种钙钛矿薄膜本身缺陷较多,在光照下还容易发生卤素分离,这也是限制宽带隙钙钛矿太阳电池发展的关键因素.本文综述了目前宽带隙钙钛矿及太阳电池的发展现状,最后对其未来发展前景进行了展望.

关键词：宽带隙钙钛矿叠层太阳电池缺陷卤素分离

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宽带隙钙钛矿调控及大面积制备

宽带隙钙钛矿调控及大面积制备

作者：田聪聪武汉理工大学

学位级别：硕士

近年来,钙钛矿材料以其高吸光系数、带隙可调、可溶液加工处理等优异特性,引起了科研工作者的广泛关注,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)已经达到25.7%。为了突破单结太阳能电池Shockley理论计算极限限制,人们提出制备叠层电池来更... 详细信息

近年来,钙钛矿材料以其高吸光系数、带隙可调、可溶液加工处理等优异特性,引起了科研工作者的广泛关注,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)已经达到25.7%。为了突破单结太阳能电池Shockley理论计算极限限制,人们提出制备叠层电池来更佳充分的利用太阳光谱,进一步提升效率。于是,以钙钛矿太阳能电池作为顶部子电池的一系列叠层电池应运而生,如钙钛矿/硅叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池、钙钛矿/铜铟镓硒叠层电池等。宽带隙(带隙为1.70-1.80 e V)钙钛矿太阳能电池因其与硅电池等低带隙电池良好匹配,成为叠层电池顶部吸收层的最佳选择材料。但其本身存在的开路电压损失大、光诱导相分离等问题,严重阻碍了宽带隙钙钛矿电池及叠层电池的性能提升。此外,大面积高效率宽带隙钙钛矿组件是推进钙钛矿产业化的重中之重。在大面积制备工艺过程中,钙钛矿成核结晶过程难以控制,制备高质量大面积钙钛矿薄膜难度较大,大大限制了其商业化进程。本研究基于组分工程和界面工程策略,调控宽带隙钙钛矿的成核结晶过程,增强钙钛矿薄膜质量,提升器件性能及稳定性,同时对大面积宽带隙钙钛矿组件及钙钛矿/硅叠层电池制备进行了探索,为钙钛矿及叠层电池商业化发展提供了一定参考意义。主要内容和研究结果如下:(1)研究了反溶剂法和无反溶剂法制备宽带隙钙钛矿薄膜的成核结晶过程,通过在钙钛矿前驱体溶液中添加N-甲基吡咯烷酮(NMP),实现了对钙钛矿成核结晶过程的调控,形成的Pb I·NMP和Pb Br·NMP加合物有效抑制了溶剂-钙钛矿配合物及非钙钛矿δ相的形成,最终实现了无反溶剂条件下制备宽带隙钙钛矿薄膜,不仅改善了薄膜的表面形貌,还降低了薄膜缺陷,有效抑制了光诱导相分离,最终实现了18.40%的光电转换效率。(2)采用2-噻吩甲胺氢溴酸盐(2-Th MABr)对宽带隙钙钛矿薄膜进行表面处理,形成二维(2D)/三维(3D)钙钛矿异质结界面结构,钝化了薄膜表面缺陷,抑制了非辐射复合,提升了空穴抽取能力。器件PCE从最初的18.40%增长到19.46%,开路电压从1.163 V提升至1.219 V。而且,稳定性明显提升,未封装器件在空气中老化2000小时后仍保持初始效率的93.0%以上,封装器件连续照射200小时后仍维持初始效率的80%。(3)采用N辅助刮涂工艺制备大面积宽带隙钙钛矿薄膜,表征发现薄膜光滑致密,不同区域薄膜粗糙度差别较小,平均粗糙度仅13.76 nm。制备活性面积为46.5 cm的小面积组件效率达到16.07%,活性面积为123.0 cm的大面积组件效率为13.03%。优化ITO透明电极层制备半透明宽带隙钙钛矿太阳能电池,并与硅异质结电池制备4-T结构钙钛矿/硅叠层电池,活性面积0.16 cm和1.0cm叠层电池分别实现了23.85%和19.51%的效率。

关键词：宽带隙钙钛矿组分调控界面处理钙钛矿光伏组件叠层电池

真空共蒸发宽带隙钙钛矿薄膜及其室内光伏器件的研究

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真空共蒸发宽带隙钙钛矿薄膜及其室内光伏器件的研究

作者：刘雅晴暨南大学

学位级别：硕士

有机无机杂化钙钛矿材料光电性能优异,自2009年被应用于光伏器件,器件能量转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)已经从3.8%提升到25.7%(AM1.5G模拟太阳光),可媲美目前商业化的晶硅电池。在室内弱光场景下,钙钛矿光伏器件也表现出... 详细信息

有机无机杂化钙钛矿材料光电性能优异,自2009年被应用于光伏器件,器件能量转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)已经从3.8%提升到25.7%(AM1.5G模拟太阳光),可媲美目前商业化的晶硅电池。在室内弱光场景下,钙钛矿光伏器件也表现出优异性能。近日,Saule Technologies公司研发的钙钛矿光伏电池在弱光下实现了25.5%的效率,率先进入光伏市场。本文研究真空共蒸发法制备的宽带隙钙钛矿薄膜及其室内光伏器件,具体展开以下工作内容:(1)以MABr和PbI为蒸发源,通过共蒸发的方式制备宽带隙钙钛矿薄膜。采用AlO修饰空穴传输层,改善有机物在基底上的吸附,从而调控钙钛矿薄膜的化学计量比,提升钙钛矿薄膜的质量。相应器件在3000 K白光LED的1000 lux照度下PCE达21.37%。(2)以蒸发的方式将CsCl掺入钙钛矿组分中,钝化薄膜缺陷并改善薄膜形貌。将优化的薄膜应用于光伏器件,器件在3000 K白光LED的1000 lux照度下实现了30.25%的PCE,开路电压(Open-Circuit Voltage,V)达1.00 V。同时,该器件在一个太阳光光强的AM1.5G模拟太阳光下获得了13.8%的效率。基于优化的钙钛矿薄膜,制备了孔径面积为67.08 cm的大面积组件,在3000 K白光LED的1000 lux照度下实现13.25%的PCE,在AM1.5G模拟太阳光下实现了9.70%的PCE。(3)对薄膜进行表面后处理,进一步提升共蒸发钙钛矿薄膜的质量。通过MACl溶液、MACl+MABr混合溶液对蒸发后的钙钛矿薄膜进行处理,可进一步增大晶粒尺寸、增强薄膜的结晶性并钝化薄膜表面的缺陷。利用优化的钙钛矿薄膜制备器件,在3000 K白光LED的1000 lux照度下PCE达到33.87%。

关键词：室内光伏宽带隙钙钛矿共蒸发结晶动力学

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倒置宽带隙钙钛矿电池的优化及叠层电池研究

倒置宽带隙钙钛矿电池的优化及叠层电池研究

第八届新型太阳能材料科学与技术学术研讨会

作者：陈聪梁纪伟叶飞鸿王海兵胡绪志王晨杨光陶晨柯维俊肖旭东方国家武汉大学

抑制宽带隙钙钛矿缺陷及相分离,是提高器件开路电压和稳定性的关键。采用了碘化钾(KI)、四氟-四氰二甲基对苯醌(F4-TCNQ)、苯乙胺氢碘酸盐(PEAI)等掺杂和表界面钝化技术,FACsPb(I Br)钙钛矿的表界面缺陷和相分离得到抑制,提高了离子迁... 详细信息

抑制宽带隙钙钛矿缺陷及相分离,是提高器件开路电压和稳定性的关键。采用了碘化钾(KI)、四氟-四氰二甲基对苯醌(F4-TCNQ)、苯乙胺氢碘酸盐(PEAI)等掺杂和表界面钝化技术,FACsPb(I Br)钙钛矿的表界面缺陷和相分离得到抑制,提高了离子迁移活化能,从而抑制了器件的暗态饱和电流密度,降低了开路电压损失。最终,对于带隙为1.75eV的钙钛矿FACsPb(IBr),我们实现了具有1.25 V的开路电压和19%以上能量转换效率的宽带隙钙钛矿器件。使用ALD-SnO代替有机物BCP作为空穴阻挡层,并使用氧化镍作为空穴传输层,构建了全无机传输层的倒置宽带隙太阳能电池(FACsPb(IBr), 1.68 eV带隙),取得了17%稳态效率。进一步地,我们制备了两端(2-T)和四端(4-T)全钙钛矿叠层太阳能电池,分别取得了21.1%和24.1%的效率。对于1.68 eV的FACsPb(IBr)宽带隙钙钛矿薄膜,采用TEACl表面修饰,形成了2D/3D钙钛矿异质结,钝化了钙钛矿表面缺陷,实现了1.19 V的开路电压(即490 mV)开路电压损失,以及20%以上效率的宽带隙钙钛矿电池。此外,TEACl处理的器件还具有较好的湿度稳定性、长期储存稳定性以及热稳定性。最后,我们以此宽带隙钙钛矿作为顶电池,CIGS作为底电池组装了4-T钙钛矿-CIGS叠层太阳能电池,并取得了24%的转换效率。

关键词：宽带隙钙钛矿缺陷钝化相分离开路电压损失叠层电池

来源： cnki会议评论

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全钙钛矿叠层太阳能电池研究

全钙钛矿叠层太阳能电池研究

迈向效率大于30%的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池技术的研究进展

第十一届新型太阳能材料科学与技术学术研讨会

作者：赵德威四川大学材料科学与工程学院

叠层太阳能电池可突破单结太阳能电池光电转换效率理论极限。卤化物钙钛矿材料具有带隙宽幅调控、光电性质优异、制备成本低等优势,非常适合用于构建低成本、高效率的叠层电池。围绕如何构建高性能全钙钛矿叠层太阳能电池,介绍宽、带隙... 详细信息

叠层太阳能电池可突破单结太阳能电池光电转换效率理论极限。卤化物钙钛矿材料具有带隙宽幅调控、光电性质优异、制备成本低等优势,非常适合用于构建低成本、高效率的叠层电池。围绕如何构建高性能全钙钛矿叠层太阳能电池,介绍宽、带隙钙钛矿电荷传输材料(SAM和HTL)和表界面修饰材料降低界面能量损失,提升开路电压和大面积钙钛矿结晶动力学;介绍锡-铅窄带隙钙钛矿(1.25 eV)的合成与器件制备,讨论添加剂对锡铅钙钛矿结晶生长与缺陷态的影响,介绍一种普适的钙钛矿限域空间退火方法(close space annealing,CSA)用于制备高质量钙钛矿吸光层;讨论中间连接层设计和优化,实现低光电损耗连接及高效全钙钛矿叠层电池。

关键词：全钙钛矿叠层太阳能电池钙钛矿基叠层电池电荷传输材料锡铅窄带隙钙钛矿宽带隙钙钛矿缺陷钝化

来源： cnki会议评论

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物理学报 2023年第5期72卷 445-459页

作者：张美荣祝曾伟杨晓琴于同旭郁骁琦卢荻李顺峰周大勇杨辉材料科学姑苏实验室苏州215123

双结叠层太阳能电池由两个具有不同带隙吸收体的电池组成,通过差异化吸收更宽范围波长的太阳光,降低光子热化损失,已展现出打破单结太阳能电池Shockley-Queisser极限效率的巨大优势.获益于钙钛矿电池带隙可调和制备成本低的优点以及晶... 详细信息

双结叠层太阳能电池由两个具有不同带隙吸收体的电池组成,通过差异化吸收更宽范围波长的太阳光,降低光子热化损失,已展现出打破单结太阳能电池Shockley-Queisser极限效率的巨大优势.获益于钙钛矿电池带隙可调和制备成本低的优点以及晶硅电池产业化的优势,钙钛矿/晶硅叠层太阳电池成为光伏领域的研究热点.本文系统的梳理了钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的最新研究进展,重点从钙钛矿顶电池、中间互联层和晶硅底电池的结构出发,总结出高效叠层器件在光学和电学方面的设计原则.本文还详细地分析了限制钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池继续提效的关键因素及解决措施,这对于钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的产业化之路是非常重要的.最后,对下一代更高效率的低成本叠层太阳能电池进行了展望.我们认为随着对光伏器件效率要求越来越高,基于钙钛矿/晶硅叠层结构的三结电池将会成为下一代低成本高效电池的研究热点.

关键词：叠层太阳能电池宽带隙钙钛矿晶硅互联层

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钙钛矿启发的锑基和铋基无铅光伏器件

钙钛矿启发的锑基和铋基无铅光伏器件

作者：彭岳衡苏州大学

学位级别：硕士

铅卤化物钙钛矿因具有优异的光电特性是目前的研究热点,然而其重金属铅所引起的环境问题促使人们不得不寻找无铅替代物。具有类似电子结构的锑基无铅钙钛矿被认为是最具潜力的替代材料之一,但基于此类材料的光电器件却一直没有获得令人... 详细信息

铅卤化物钙钛矿因具有优异的光电特性是目前的研究热点,然而其重金属铅所引起的环境问题促使人们不得不寻找无铅替代物。具有类似电子结构的锑基无铅钙钛矿被认为是最具潜力的替代材料之一,但基于此类材料的光电器件却一直没有获得令人满意的性能。本文以全无机铯-锑-卤化物(CsSbI)钙钛矿为主要研究对象,首先利用卤素混合使该材料在低温溶液制程下实现了从零维到二维的结构转换,然后通过溶剂蒸汽退火的方法提高了钙钛矿薄膜的质量,接着通过界面工程进一步提升了其器件性能,最后探讨了锑基和铋基无铅钙钛矿材料在室内环境下的应用前景。具体的研究内容如下:1)CsSbI在低温(100-150℃)溶液制程下倾向于形成一种不利于载流子传输的零维结构,从而极大地限制了其在光电领域的应用。我们利用原子半径更小的Cl原子取代部分I原子,成功的将零维CsSbI转换为二维CsSbClI。维度的转变显著的提升了 CsSbClI的载流子迁移率,基于该材料的光伏器件获得了1.56%的光电转化效率以及62.5%的外量子效率。2)为了进一步提升CsSbClI的光电性能,我们尝试了一系列薄膜制备工艺和界面工程。在利用一步反溶剂处理法使钙钛矿前驱体快速转化为中间相的基础上,我们发现溶剂蒸汽退火的工艺可以有效改善CsSbClI薄膜的形貌。此外,在采用了一种具有较高的迁移率的空穴传输材料后,基于CsSbClI活性层的太阳能电池实现了 2.15%的光电转化效率。3)鉴于铋基和锑基钙钛矿材料具有较宽的带隙,我们发现基于这类材料的光伏器件非常适合在光谱更匹配的室内光源下工作。基于BiOI和CsSbClI等宽带隙无铅钙钛矿材料的光伏器件在室内光源的辐照(1000 LUX)下分别获得了约6%和5%的光电转化效率。通过对这两种材料的载流子复合机理的分析,我们推测提高钙钛矿薄膜形貌以及减少界面复合是进一步开发这两种材料的潜能的关键。

关键词：无铅钙钛矿宽带隙钙钛矿结构转化电荷迁移率室内应用

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两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池研究进展

中国基础科学 2022年第6期24卷 52-66页

作者：韩晓静王进张晓丹南开大学光电子薄膜器件与技术研究所天津300350 南开大学太阳能研究中心天津300350 南开大学可再生能源转换与储存中心天津300350 天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室天津300350 教育部薄膜光电子技术工程研究中心天津300350 化学科学与工程协同创新中心天津300072

两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池是将具有优异光电性能的宽带隙钙钛矿和硅衬底结合制备的一种高效太阳电池,突破了单晶硅太阳电池的理论极限效率。虽然已经实现了超过30%的转换效率,但该技术距离商业化还有一定的距离。本文主要介绍两端钙... 详细信息

两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池是将具有优异光电性能的宽带隙钙钛矿和硅衬底结合制备的一种高效太阳电池,突破了单晶硅太阳电池的理论极限效率。虽然已经实现了超过30%的转换效率,但该技术距离商业化还有一定的距离。本文主要介绍两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的结构及工作原理,分析其性能提升面临的关键问题和解决思路,概述两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的研究进展,并对其未来的发展进行展望。

关键词：两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池宽带隙钙钛矿载流子传输层中间连接层光管理稳定性

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高效稳定钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池

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