1 1.理学院, 天津理工大学, 天津 300384
2 2.材料科学与工程学院 显示材料与光电器件教育部重点实验室, 天津市光电显示材料与器件重点实验室, 功能材料国家级实验教学示范中心, 天津理工大学, 天津 300384
带隙1.1~1.4 eV的锡铅混合卤化物钙钛矿是单结太阳能电池光电转换效率(PCE)接近Shockley-Queisser (S-Q)理论效率极限值的理想材料。钙钛矿薄膜垂直方向上的化学组分梯度会通过影响能带结构影响载流子的传输和分离, 因此对锡铅混合钙钛矿薄膜的结晶过程进行控制十分重要。本研究发现使用不同剂量的反溶剂制备锡铅混合钙钛矿会形成不同的垂直组分梯度, 并且随反溶剂用量增大薄膜表面铅含量增加。调整溶剂组分可以控制锡铅混合钙钛矿的垂直组分梯度, 增大溶剂中V(DMSO):V(DMF)可以形成底部富铅而表面富锡的垂直组分梯度。当铅基前驱液溶剂中V(DMSO):V(DMF)最优化为1 : 2时, 相比于1 : 4的对照组, 器件在标准光照条件下的开路电压从0.725 V提高到0.769 V, 短路电流密度从30.95 mA·cm-2提高到31.65 mA·cm-2, PCE从16.22%提升到接近18%。利用SCAPS软件数值模拟进一步证明了垂直组分梯度的必要性, 当钙钛矿薄膜底部富铅、顶部富锡时, 载流子在空穴传输层界面区域的复合有所减少, 因而电池性能得到提升。
锡铅混合钙钛矿 太阳能电池 垂直组分梯度 溶剂工程 tin-lead mixed perovskite solar cell vertical component gradient solvent engineering
1 天津中德应用技术大学 能源工程学院, 天津 300350
2 天津理工大学 材料科学与工程学院, 天津 300384
优化界面接触、增强界面处载流子传输对于提高钙钛矿电池性能具有重要意义。本研究将适量二甲基亚砜(DMSO)添加到聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT∶PSS)空穴传输层中, 改善了空穴传输层的导电性和空穴传输特性, 有效提高了反式平面钙钛矿太阳能电池光伏性能。短路电流(Jsc)从21.29 mA/cm2提高到22.15 mA/cm2, 填充因子(FF)从76.35%提高到80.09%, 转换效率(PCE)从16.02%提高到17.01%。薄膜与器件性能综合测试结果表明, DMSO的掺入使PEDOT∶PSS发生适度相分离, 形成更好的PEDOT导电通道, 增强了PEDOT∶PSS的导电特性。 稳态光致发光光谱呈现出显著的荧光猝灭效应, 也表明掺杂 DMSO后PEDOT∶PSS的空穴提取能力得到提高, 钙钛矿活性层与阳极之间的空穴传输更加顺畅, 有助于实现高达 80%以上的填充因子。本研究为改善反式平面钙钛矿太阳电池或有机太阳电池光伏性能提供了一种高效、简便的方法, 具有很好的现实意义。
空穴传输层 电导率 钙钛矿太阳电池 光伏性能 hole transport layer conductivity perovskite solar cell photovoltaic performance
1 天津理工大学 材料科学工程学院 显示材料与光电器件省部共建教育部重点实验室，天津 300384
2 天津理工大学 材料科学工程学院 功能材料国家级实验教学示范中心天津市光电显示材料与器件重点实验室，天津 300384
3 中国电子科技集团公司 第十八研究所，天津 300384
由于具有高效率以及可溶液法制备等优点，钙钛矿太阳能电池受到了广泛关注。溶液法制备钙钛矿薄膜通常使用旋涂法。然而，溶液旋涂法具有厚度不均匀、原料浪费严重等缺点，因而不适合制备大面积钙钛矿薄膜。目前，制备大面积均匀的钙钛矿太阳能电池仍是一项挑战。为此，本文使用一种新方法(气相辅助刮刀涂布法)来克服这一问题。该方法能够制备出大面积、高结晶度的均匀钙钛矿薄膜。此外，通过改变前驱液的浓度，能够得到不同厚度的钙钛矿薄膜。进一步研究发现，当前驱溶液浓度为10 M时，可以制备出光伏性能最佳的钙钛矿太阳能电池。当电池活性面积分别为0112 5 cm2和10 cm2时，在AM15G(100 mW/cm2)模拟太阳光下，其光电转化效率的最高值为1776%(平均效率169%)和163%。这为大面积钙钛矿太阳能电池的制备提供了新思路。
钙钛矿太阳能电池 气相辅助刮刀涂布 大面积 perovskite solar cell vapor assisted doctor blading large area
1 天津理工大学材料科学与工程学院 显示材料与光电器件教育部重点实验室, 天津 300384
2 天津理工大学 天津市光电显示材料与器件重点实验室, 天津 300384
采用N, N′-二正辛烷基-3, 4, 9, 10-苝四甲酰二亚胺(PTCDI-C8)对钙钛矿电池电子传输层(PCBM)进行界面修饰以减少PCBM与Al电极之间的漏电流, 提高阴极的电子收集效率。通过调节PTCDI-C8薄膜的厚度优化界面接触和电子传输性能。实验结果表明: 当PTCDI-C8薄膜的厚度为20 nm时得到的器件性能最优。光电转换效率(PCE)由5.26%提高到了8.65%, 开路电压(Voc)为0.92 V, 短路电流(Jsc)为15.68 mA/cm2, 填充因子(FF)为60%。PTCDI-C8能够有效阻挡空穴向阴极传输, 同时PTCDI-C8具有较高的电子迁移率以及较高的稳定性, 在增加电子传输的同时, 可减少环境对PCBM的侵蚀, 提高了器件的稳定性。
钙钛矿太阳能电池 界面修饰 空穴阻挡 电子传输 perovskite solar cells interface engineering hole-blocking charge separation
1 天津理工大学 显示材料与光电器件教育部重点实验室, 天津 300384
2 天津市光电显示材料与器件重点实验室, 天津 300384
为了钝化钙钛矿表面的缺陷、改善PCBM溶液的粘度和成膜性以达到优化器件性能的目的, 通过引入非富勒烯小分子(ITIC)和富电子聚合物(PVK)共掺杂修饰PCBM薄膜。结果表明: 通过调节ITIC的含量可以优化界面形貌, 提高器件的性能。当ITIC的质量分数为6%时, 获得了最优的器件性能。相比于纯PCBM的器件效率由5.26%提高到9.93%, 器件没有回滞现象。ITIC和PVK的引入提高了PCBM的成膜性能。此外, 还可以钝化钙钛矿表面的缺陷。这种协同作用有利于电荷传输和分离。综上所述, PVK和ITIC的加入抑制了大气中的水分和氧气, 提高了器件的稳定性。
钙钛矿太阳能电池 界面修饰 空穴阻挡 电子传输 perovskite solar cells interface engineering hole-blocking charge separation interfacial contact
1 天津理工大学 显示材料与光电器件教育部重点实验室, 天津 300384
2 天津市光电显示材料与器件重点实验室, 天津理工大学 材料科学与工程学院, 天津 300384
3 天津大学 化工学院, 天津 300072
4 中国电子科技集团第18研究所, 天津 300384
研究了吡啶作为添加剂对一步法制备甲胺铅碘钙钛矿太阳能电池光电性能的影响。利用SEM、AFM、XRD、UV-Vis、PL等手段研究了不同吡啶掺杂浓度对制备的CH3NH3PbI3薄膜的表面形貌、结晶度和光学性能的影响。研究结果表明: 少量的吡啶掺杂可以提高钙钛矿薄膜的覆盖率及降低薄膜的表面粗糙度。当在CH3NH3PbI3前驱体溶液中添加体积分数为1%的吡啶时, 制备的钙钛矿太阳能电池的能量转换效率达到7.33%, 而未加吡啶的对比器件效率仅为1.01%。进一步添加吡啶会导致钙钛矿材料的降解。
钙钛矿太阳能电池 添加剂 形貌 吡啶 perovskite solar cell additive morphology pyridine
1 天津理工大学 显示材料与光电器件教育部重点实验室, 天津 300384
2 天津理工大学材料科学与工程学院 天津市光电显示材料与器件重点实验室, 天津 300384
3 天津大学 化工学院, 天津 300072
4 中国电子科技集团第18研究所, 天津 300384
为了探究PVK对倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池电子传输层的影响, 向电子传输层PCBM中添加了一种富电子的聚乙烯基咔唑(PVK)。采用原子力显微镜、PL光谱对薄膜进行了表征。实验结果表明: 少量PVK的添加提高了覆盖在钙钛矿薄膜上PCBM层的平整度。当PVK的添加质量分数为4%时得到最佳器件效率, 相比于纯PCBM作为电子传输层的器件, 器件效率由(5.11±0.14)% 提升到(9.08±0.46)%。当PVK的添加质量分数大于4%时, 粗糙度又趋于变大。PL光谱显示, 少量PVK的加入使钙钛矿/电子传输层薄膜的PL强度降低, 并使PL峰蓝移。研究表明: 向PCBM中掺杂适量PVK能够改善钙钛矿/电子传输层/Al的界面接触, 减少漏电流, 并能够减少钙钛矿表面陷阱和晶界缺陷, 减少电荷复合, 从而提高了器件性能。
钙钛矿 掺杂 界面工程 聚乙烯基咔唑 缺陷 perovskite solar cells doping interface engineering poly(n-vinylcarbazole) trap states
1 天津理工大学 显示材料与光电器件教育部重点实验室, 天津300384
2 天津理工大学 天津市光电显示材料与器件重点实验室, 天津300384
3 中国电子科技集团 第18研究所, 天津300384
4 中国科学院 宁波材料所, 浙江 宁波315201
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19.14 mA /cm2, 开路电压为0.76 V, 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。
钙钛矿 本体异质结 串联电池 perovskite bulk heterojunction integrated solar cells
1 天津理工大学 材料科学与工程学院, 天津 300384
2 中国科学院 宁波材料技术与工程研究所, 浙江 宁波 315201
设计合成了一种新型A-D-A含芴菲并咪唑和炔基基团的蓝光分子(FI), 采用紫外吸收、光致发光光谱和循环伏安对材料进行了表征, 发现该物质具有稳定的蓝光发射。采用旋涂的方法制备了非掺杂蓝光有机发光二极管, 器件的最大电流效率为1.52 cd·A-1,最大功率效率为0.63 lm·W-1.
芴的衍生物 湿法加工 蓝光OLED fluorene derivatives solution-processable blue OLEDs
1 天津理工大学 材料物理所, 天津 300384
2 天津理工大学 天津光电显示材料与器件重点实验室, 天津 300384
将银纳米片引入有机太阳能电池, 增强了器件的光吸收及光电转换效率。制备得到了具有不同等离子共振吸收特性的银纳米片。当银纳米片的等离子共振吸收与活性层的吸收相匹配时, 器件的光电流显著增强。通过改变银纳米片与活性层之间的距离, 研究了等离子体共振增强电磁场的传递特性。两者的距离越近则耦合入活性层的电磁场越强, 器件的光电流越高。经优化后, 以P3HT∶PCBM为活性层的有机太阳能电池的光电转换效率由3.04%增长到3.82%, 提高了26%。
表面等离子体效应 银纳米片 能量转换效率 有机太阳能电池 plasmon Ag nanoprisms power conversion efficiency polymer solar cells
