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高效率双结钙钛矿叠层太阳能电池研究进展

复合材料学报 2023年第2期40卷 726-740页

作者：张美荣祝曾伟郁骁琦于同旭卢荻李顺峰周大勇杨辉材料科学姑苏实验室苏州215123

以钙钛矿电池为顶电池的叠层太阳电池发展迅速,成为太阳能光伏领域的研究热点之一。随着电池结构和制备工艺的优化,叠层电池的光电转换效率快速提升,单片钙钛矿/晶硅叠层电池的效率已达到31.3%。本综述对近年来以宽带隙钙钛矿电池作为... 详细信息

以钙钛矿电池为顶电池的叠层太阳电池发展迅速,成为太阳能光伏领域的研究热点之一。随着电池结构和制备工艺的优化,叠层电池的光电转换效率快速提升,单片钙钛矿/晶硅叠层电池的效率已达到31.3%。本综述对近年来以宽带隙钙钛矿电池作为顶子电池、晶体硅电池及其他新型中窄带隙电池(钙钛矿电池、有机电池、铜铟镓硒(CIGS)电池)作为底子电池的叠层电池的研究进展进行了系统梳理,总结了叠层电池的顶电池、中间互联层和底电池的材料、结构及光电性能等方面的关键技术及难点,希望能够为进一步提升叠层电池效率提供一些思路。并对未来低成本高效叠层太阳能电池的光学和电学优化需求做出了分析与展望。

关键词：叠层太阳能电池钙钛矿电池晶硅电池有机电池 CIGS电池光电转换效率

一锅法合成四芳基吡咯并[3,2-b]吡咯空穴传输材料及其在无掺杂倒置钙钛矿太阳电池的应用

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Chinese Journal of Chemical Physics 2021年第2期34卷 217-226,I0002页

作者：段良升武全萍许媛媛王辉孙喆陈瑜薛松天津理工大学材料科学与工程学院天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384

本文采用一锅法合成了四芳基吡咯并[3,2-b]吡咯有机空穴输运材料(D41、D42、D43和D44),制备出无掺杂的倒置型平面钙钛矿太阳电池.材料D41的芳环上含有甲基,具有供体-π-给体-π-供体结构;而D42、D43和D44具有受体-π-给体-π-受体结构,... 详细信息

本文采用一锅法合成了四芳基吡咯并[3,2-b]吡咯有机空穴输运材料(D41、D42、D43和D44),制备出无掺杂的倒置型平面钙钛矿太阳电池.材料D41的芳环上含有甲基,具有供体-π-给体-π-供体结构;而D42、D43和D44具有受体-π-给体-π-受体结构,其中,芳环上分别含有氰基、氟和三氟甲基.研究表明,芳环上取代基对其分子表面电荷分布和空穴输运层薄膜形貌有显著影响,钙钛矿晶体颗粒的大小与空穴输运材料分子结构有关,含有氰基的材料D42最有利于形成较大的钙钛矿晶粒,这主要是由于吡咯并[3,2-b]吡咯结构具有丰富的电子性质的缘故.D42制备的倒置型平面钙钛矿太阳电池光电转换效率为17.3%,在黑暗条件下22天后,仍保留了初始效率的55%.吡咯并[3,2-b]吡咯结构具有良好的给电子特性,可作为高效钙钛矿薄膜的空穴传输材料.

关键词：吡咯并[3,2-b]吡咯空穴传输材料有机小分子无掺杂钙钛矿电池

TiO2形态对MAPbBr3太阳电池转化效率影响机制的研究

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无机材料学报 2018年第2期33卷 245-249页

作者：张敏王增华郑霄家张文华中国工程物理研究院化工材料研究所四川省新材料研究中心成都610200

二氧化钛(TiO_2)是钙钛矿太阳电池中最常用的电子传输材料,研究发现其形态对MAPbBr_3太阳电池的器件转化效率可产生直接影响。研究不同形态TiO_2对钙钛矿太阳电池转化效率的影响机制对进一步认识此类太阳电池的工作机理十分必要。本工... 详细信息

二氧化钛(TiO_2)是钙钛矿太阳电池中最常用的电子传输材料,研究发现其形态对MAPbBr_3太阳电池的器件转化效率可产生直接影响。研究不同形态TiO_2对钙钛矿太阳电池转化效率的影响机制对进一步认识此类太阳电池的工作机理十分必要。本工作使用旋涂法制备了不同形态的TiO_2,而后采用反溶剂室温结晶的方法在TiO_2基底上进一步制备MAPbBr_3(MA=CH_3NH_3)薄膜,并通过X射线光电子能谱(XPS)详细研究了TiO_2与MAPbBr_3接触界面的能级位置关系。研究结果表明:不同形态的TiO_2在与钙钛矿接触后形成的导带差异不同;不同的导带能级差可直接影响MAPbBr_3钙钛矿电池中电子的传递与收集,进而影响电池的转化效率。

关键词：能级位置 XPS MAPbBr3 钙钛矿电池

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钙钛矿电池距离商业化还有多远

中国科技财富 2022年第10期 83-84页

作者：滕继濮韩荣不详

光伏电池是一种通过光电效应将太阳能转化成电能的装置,具有广阔的发展和应用前景。钙钛矿太阳能电池(以下简称钙钛矿电池)作为一种新型的光伏电池,也在近年逐渐露头角。近日,科技部等九部门联合印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(202... 详细信息

光伏电池是一种通过光电效应将太阳能转化成电能的装置,具有广阔的发展和应用前景。钙钛矿太阳能电池(以下简称钙钛矿电池)作为一种新型的光伏电池,也在近年逐渐露头角。近日,科技部等九部门联合印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022一2030年)》,也对钙钛矿电池这一新型电池有所提及。

关键词：钙钛矿太阳能电池光伏电池新型电池光电效应钙钛矿电池碳中和实施方案太阳能

纳米金属氧化物在钙钛矿电池中的应用研究进展

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无机材料学报 2016年第9期31卷 897-907页

作者：王伟琦郑惠锋陆冠宏刘阳桥孙静高濂中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室上海200050

近几年来,钙钛矿电池发展迅速,其单电池效率从最初的3.8%迅速提升至目前20.1%,接近硅基太阳能电池的光电转换效率。TiO_2、ZnO、Al_2O_3等诸多无机纳米金属氧化物材料作为重要的载流子输运材料与钙钛矿生长骨架也被广泛地应用于钙钛矿... 详细信息

近几年来,钙钛矿电池发展迅速,其单电池效率从最初的3.8%迅速提升至目前20.1%,接近硅基太阳能电池的光电转换效率。TiO_2、ZnO、Al_2O_3等诸多无机纳米金属氧化物材料作为重要的载流子输运材料与钙钛矿生长骨架也被广泛地应用于钙钛矿电池。依据钙钛矿电池功能结构的差异,本文分别介绍了此类材料作为钙钛矿电池中的致密层及介孔层的制备方法,并在此基础上介绍了基于表面修饰、掺杂、复合等氧化物的改性手段调节材料理化性能与氧化物/钙钛矿界面特性,进而改进钙钛矿电池性能的方法。并阐述了进一步提高钙钛矿电池光电转换效率需要关注的重点问题及展望。

关键词：纳米金属氧化物钙钛矿电池致密层介孔层综述

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钙钛矿电池的电极防腐及其稳定性研究

钙钛矿电池的电极防腐及其稳定性研究

原子层沉积氧化锡应用于钙钛矿太阳能电池及光电探测器

第八届新型太阳能材料科学与技术学术研讨会

作者：李晓冬方俊锋华东师范大学

钙钛矿太阳能电池成本低、效率高。但是稳定性,尤其是光照和负载下的连续功率输出是制约其商业化的关键瓶颈问题。要提高钙钛矿电池的稳定性,除了钙钛矿层和电荷传输层的优化外,金属电极在老化过程中的腐蚀也是一个不可忽略的重要因素... 详细信息

钙钛矿太阳能电池成本低、效率高。但是稳定性,尤其是光照和负载下的连续功率输出是制约其商业化的关键瓶颈问题。要提高钙钛矿电池的稳定性,除了钙钛矿层和电荷传输层的优化外,金属电极在老化过程中的腐蚀也是一个不可忽略的重要因素。一方面,钙钛矿与金属电极之间的反应会加速钙钛矿自身的分解;另一方面,钙钛矿内部离子(碘组分)迁移后与金属电极反应,会使原本可逆的离子移动变得不可逆,进一步造成电池的永久性衰减。针对此,我们在前期原位交联提升钙钛矿层稳定性的基础上[1],进一步围绕钙钛矿电池中电极腐蚀这一问题,提出电极化学防腐的概念[2],采用有机防腐蚀抑制剂苯并三氮唑(BTA,图1)来抑制钙钛矿电池中Cu电极的腐蚀;利用BTA与Cu之间的相互作用,在电极表面形成一层致密的聚合物薄膜,从而抑制Cu在富碘环境下的化学腐蚀以及电场下的电化学腐蚀,在不显著影响电池效率的前提下,实现钙钛矿电池稳定性的大幅提升。钙钛矿电池在经过1000小时的连续功率输出后(光照、负载),仍能稳定在初始效率的～90%(图1)。此外,器件的空气(水氧)稳定性和热(85°C)稳定性也有明显提升,分别经过2500小时或者1000小时的老化后,均能保持在初始效率的90%以上。

关键词：钙钛矿电池离子移动电极腐蚀有机防腐蚀抑制剂化学防腐

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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原子层沉积氧化锡应用于钙钛矿太阳能电池及光电探测器

作者：武龙南昌大学

学位级别：硕士

钙钛矿光电转换器件自诞生至今,一直是研究热点。其中,钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)被认为是下一代商业化光伏电池之一,其能量转化效率在十几年间从3.8%迅速提至25.7%,超过了绝大多数太阳能电池的认证效率,然而其运... 详细信息

钙钛矿光电转换器件自诞生至今,一直是研究热点。其中,钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)被认为是下一代商业化光伏电池之一,其能量转化效率在十几年间从3.8%迅速提至25.7%,超过了绝大多数太阳能电池的认证效率,然而其运行过程中易被水氧诱导降解和离子迁移等稳定性问题会严重降低电池的性能,这制约着其进一步商业化发展。为了解决这一问题,科研工作者在电池结构中引入缓冲层。缓冲层可以起到阻挡空穴、隔绝水氧、降低界面能级势垒等作用,可以有效提高器件稳定性。目前使用的缓冲层大部分是有机材料,然而有机材料存在水气阻挡性差、热稳定性不足等问题,进而加剧电池器件性能衰减。无机氧化物的物理化学稳定性高,电荷传输性能好,可作为良好的界面电荷传输材料。其中,氧化锡(SnO,x=1-2)薄膜制备工艺简单、光电性能好,广泛地应用阳能电池和光电探测器等领域。同时,原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD)技术在薄膜沉积领域十分火热,其可以在原子层尺度下精准控制薄膜厚度,具有基底损伤小、高纵深比和薄膜质量高等优点,是一种非常优异的半导体薄膜制备方法,在半导体薄膜沉积领域有着非常大的应用潜力。因此,本论文利用ALD技术制备了厚度为20 nm的高质量SnO薄膜代替传统有机材料作为反式钙钛矿太阳能电池的缓冲层。使用透过率更好、电子迁移率更高的SnO作为缓冲层,有利于提高器件性能。制备的SnO薄膜拥有更好的疏水性,可以提高器件在富水氧环境下的稳定性。同时,使用ALD技术制备SnO可以更精准地控制膜层厚度,制备的薄膜可以实现更好的表面覆盖。我们首先研究了沉积温度对ALD制备SnO薄膜的生长率、表面形貌和光电性能等方面的影响。实验结果表明,沉积温度为110℃时可以制备出高质量的SnO薄膜,其拥有较低的表面粗糙度和较好的电学性能。然而,ALD制备SnO薄膜过程中使用高纯水作为氧源,过高的水含量会降低器件性能。因此,我们研究了不同的水源脉冲时间对于制备的SnO薄膜光电性能及使用其作为缓冲层制备的太阳能电池性能的影响。我们发现,当水源脉冲时间在0.06 s和0.1 s之间梯度增加时,制备的器件性能最好。水源脉冲时间过低会导致薄膜质量的降低,水源脉冲时间过长则会对器件造成破坏,降低器件性能。并且,水源脉冲时间的梯度增加,可以实现SnO薄膜带隙的梯度变化,实现更好的能级匹配。最终,优化后SnO缓冲层的使用提升了太阳能电池器件的开路电压(1.16 V)、短路电流密度(23.2 mA/cm)和功率转换效率(21.7%)等参数。钙钛矿单晶光电探测器也是目前的研究热点,但是目前的研究主要集中于开发新的活性层,针对电子传输材料对探测器性能影响的研究工作较少。同时,未处理的FAPbBr单晶表面会存在大量缺陷,这会降低器件性能。针对以上问题,本文利用ALD技术,选取四(二甲氨基)锡作为锡源,选用臭氧(O)作为氧源,在FAPbBr钙钛矿单晶表面制备了一层5 nm厚的SnO薄膜,并将其制备成FAPbBr钙钛矿单晶光电探测器。探究了O作为氧源制备SnO薄膜对单晶表面的钝化作用和SnO薄膜对FAPbBr钙钛矿单晶光电探测器光电探测性能的影响。我们发现选用O作为ALD氧源前驱体可以有效钝化FAPbBr钙钛矿单晶表面缺陷,降低单晶表面的电荷复合速率。同时,使用ALD技术制备的SnO薄膜作为电子传输层,提高了探测器的载流子提取能力。制备的探测器获得了3.5×10 A Hz的低噪声电流。

关键词：氧化锡原子层沉积钙钛矿电池钙钛矿单晶光电探测器

GaN半导体在改变钙钛矿太阳能电池性能方面的理论分析

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物理学报 2023年

作者：朱晓丽仇鹏卫会云何荧峰刘恒田丰邱洪宇杜梦超彭铭曾郑新和北京科技大学数理学院磁光电复合材料与界面科学北京市重点实验室

GaN基半导体在光电子、电子器件已具有重要应用，如何结合其良好的电学特性进行其它应用方面的理论或实验探索，是当前新的研究课题。本文利用 SCAPS-1D软件从理论上计算了GaN在FTO/GaN/ (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15/HTL电池结构中电子... 详细信息

GaN基半导体在光电子、电子器件已具有重要应用，如何结合其良好的电学特性进行其它应用方面的理论或实验探索，是当前新的研究课题。本文利用 SCAPS-1D软件从理论上计算了GaN在FTO/GaN/ (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15/HTL电池结构中电子传输的理论机制。结果表明，引入GaN后，电池的开路电压，转换效率明显提高。通过进一步分析准费米能级分裂、界面电场、界面复合率、耗尽层厚度等因素的变化规律，分析了GaN的厚度和掺杂浓度对电池开路电压等器件参数的影响，并从GaN作为电子传输层的物理机制方面进行了讨论。

关键词： GaN 钙钛矿电池开路电压

Cu基无机空穴传输材料在碳对电极钙钛矿电池中的应用

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Cu基无机空穴传输材料在碳对电极钙钛矿电池中的应用

作者：刘振信阳师范学院

学位级别：硕士

钙钛矿太阳电池是第三代太阳能电池中的典型代表,其光电转换效率从初始的3.8%上升到已认证的25.7%,被誉为“光伏领域的新希望”。但是,钙钛矿电池也存在一些明显的缺点:钙钛矿材料遇水氧不稳定,有机空穴传输材料制备工艺复杂、稳定性差... 详细信息

钙钛矿太阳电池是第三代太阳能电池中的典型代表,其光电转换效率从初始的3.8%上升到已认证的25.7%,被誉为“光伏领域的新希望”。但是,钙钛矿电池也存在一些明显的缺点:钙钛矿材料遇水氧不稳定,有机空穴传输材料制备工艺复杂、稳定性差,金属电极材料昂贵等,这些劣势极大地限制了钙钛矿电池未来的产业化发展。因此,探索成本低廉、工艺简单、稳定性高的无机空穴传输材料及非金属电极材料具有重要的意义。本文的具体工作如下:(1)为解决热注射方法合成铜锌锡硫产量偏低(钙钛矿电池的空穴传输材料。利用刮涂法制备碳电极,取代昂贵的金属电极,制备的钙钛矿电池结构为FTO/Sn O/MAPb I/CuZn Sn S/Carbon。电池的光电转换效率为16.1%,经过近30天的稳定性测试,电池性能几乎没有衰减。(2)为进一步提高钙钛矿电池的性能与长期稳定性,我们选择禁带宽度较宽的铜锌锗硫作为电池的空穴传输层。在本工作中,采用一锅法成功合成铜锌锗硫纳米晶,制备结构为FTO/Sn O/FAPb I/CuZn Ge S/Carbon的钙钛矿太阳能电池。电池的平均开路电压高达1.075 V,电池的平均光电转换效率为17.50%,最高的效率为18.03%。我们对该器件进行长达60天的性能测试,电池表现出了优异的长期稳定性。(3)为了再次提升电池效率,我们从调节半导体材料带隙结构的角度出发,通过改变CuZn GeSnS化合物中Ge/Sn比例,优化材料的价带、导带位置,使其与钙钛矿材料的能级更加地匹配。在本工作中,首先采用一锅法合成了CuZn GeSnS纳米晶,其中x=0.0、0.5、1.0。将该纳米晶配体交换后,制备了结构为FTO/Sn O/FAPb I/CuZn GeSnS/Carbon的钙钛矿太阳能电池。经测试分析发现,当CuZn GeSnS纳米晶作为钙钛矿电池的空穴传输层时,器件的开路电压高达1.13 V,对应的光电转换效率达到了19.75%。

关键词：钙钛矿电池无机空穴传输材料铜锌锡硫铜锌锗硫碳电极