1 1.云南大学 材料与能源学院 西南联合研究生院, 昆明 650500
2 2.中国工程物理研究院 化工材料研究所, 成都 610200
有机−无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)因高能量转换效率(PCE)和低制造成本而受到了广泛关注。尽管认证PCE已经高达26%, 但在高温、高湿度和持续光照下PSCs的稳定性仍然明显落后于传统太阳能电池, 这成为其商业化道路中最大的阻碍。开发和应用高稳定性的无机空穴传输材料(HTMs)是目前解决器件光热稳定性的有效方法之一, 引入无机HTMs可以有效屏蔽水和氧对钙钛矿吸光层的侵蚀, 从而避免形成离子迁移通道。本文概述了应用于有机−无机杂化钙钛矿太阳能电池的无机HTMs的分类和光电特性, 介绍了相关研究进展, 总结了针对无机HTMs器件的性能优化策略, 包括元素掺杂、添加剂工程和界面工程, 最后展望了无机HTMs未来的发展方向。下一步需要更深入地研究无机HTMs的微观结构及其与PSCs性能的关系, 从而实现更高效、更稳定的PSCs器件。
无机空穴传输材料 钙钛矿太阳能电池 稳定性 能量转换效率 综述 inorganic hole transport materials perovskite solar cells stability power conversion efficiency review
1 1.上海理工大学 材料与化学学院, 上海 200093
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 中国科学院能量转换材料重点实验室, 上海 201899
3 3.浙江省能源集团有限公司 浙江省太阳能利用与节能技术重点实验室, 杭州 310003
4 4.中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSCs)具有稳定性好且成本低的优势, 展现出广阔的应用前景。本研究基于MAPbI3材料, 选择高质量的NiOx介孔层作为空穴传输层(HTL), 对比了NiOx介孔层不同制备方法对电池性能的影响, 并对NiOx介孔层的厚度进行优化。研究发现, 与旋涂工艺制备的NiOx介孔层相比, 丝网印刷工艺制备的介孔层的孔径分布均匀, 可改善钙钛矿(PVK)前体溶液填充在介孔支架中的填充状态。最终得到含HTL的高效率和低滞后的钙钛矿太阳能电池, 其开路电压(VOC)为910 mV, 光电转换效率(PCE)为14.63%, 认证效率达14.88%。此外, 在空气中储存近900 h, 其PCE没有明显衰减。
碳电极钙钛矿太阳能电池 NiOx空穴传输层 孔分布 稳定性 carbon-based perovskite solar cell NiOx hole transport layer pore distribution stability
1 徐州工程学院物理与新能源学院, 江苏 徐州 221018
2 海南大学理学院物理系, 海南 海口 570228电子科技大学基础与前沿研究院, 四川 成都 610054
3 贵州师范学院物理与电子科学学院, 贵州 贵阳 550018
4 东北电力大学理学院, 吉林 长春 132012
亲脂性偶氮染料苏丹红Ⅲ(Sudan Red Ⅲ)分子因染色后可使食品鲜艳、 不褪色, 常被放入食品添加剂中, 食用后对人体的肝肾器官有明显的毒性作用, 严重影响人类身体健康。 苏丹红分子的毒性与其分子几何和电子结构密切相关, 对其结构、 电子激发等研究具有重要的指导意义。 采用密度泛函理论(DFT)方法结合def2-TZVP基组对苏丹红Ⅲ分子结构、 红外与拉曼光谱和紫外光谱进行系统研究, 结果表明PBE0和B3LYP杂化泛函方法计算的红外和拉曼光谱与实验值吻合; 采用含时的B3LYP杂化泛函计算得到的苏丹红Ⅲ分子的紫外-可见吸收峰为228、 353和490 nm, 与实验符合较好, 它们是基态电子向第2激发态、 第6激发态、 第30激发态跃迁所致。 采用空穴—电子分析法考察电子激发可知, S0→S2激发类型是氧、 氮原子到萘环和苯环上的n—π*电荷转移激发, 同时伴随着萘环、 苯环环内间的π—π*局域激发。 S0→S6激发类型是氮、 氧原子到萘环, 氮原子到苯环上的n—π*和萘环环内间π—π*电荷转移激发的叠加。 S0→S2和S0→S6激发类型属于电荷转移激发为主的混合激发。 S0→S30激发类型属于萘环环内的π—π*局域激发, 同时也伴随着氧、 氮原子到萘环上的n—π*和苯环到萘环上的π—π*电荷转移激发, S0→S30激发类型是以局域激发为主。 通过分子片段对空穴、 电子的贡献热图分析, 进一步证实了上述电子激发转移过程。 系统研究苏丹红Ⅲ分子的光谱及电子激发, 为实验检测食品苏丹红Ⅲ分子提供理论参考。
密度泛函理论 苏丹红Ⅲ分子 空穴-电子分析法 红外与拉曼光谱 紫外-可见光谱 电子激发 Density functional theory Sudan Red Ⅲ Hole-electron analysis Infrared and Raman spectra UV-visible spectra Electron excitation 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2426
李佳宁 1,2,3,4,5,*葛欣 1,2,3,4,5黄子轩 1,2,3,4,5刘振 1,2,3,4,5[ ... ]张晓丹 1,2,3,4,5
1 南开大学光电子薄膜器件与技术研究所，可再生能源转换与存储中心，太阳能研究中心，天津 300350
2 天津市光电薄膜器件与技术重点实验室，天津 300350
3 物质绿色创造和制造海河实验室，天津 300192
4 教育部薄膜光电技术工程研究中心，天津 300350
5 化学科学与工程协同创新中心(天津)，天津 300072
氧化镍作为高效钙钛矿太阳电池中常用无机空穴传输层材料，具有良好的光学透过性及化学稳定性，并且还可以通过磁控溅射等方法进行大面积制备，且成本低廉。然而相比于有机空穴传输材料，氧化镍和钙钛矿界面处的能级失配、缺陷及不良化学反应等限制了基于氧化镍空穴传输层的宽带隙钙钛矿太阳电池的性能。为解决这一问题，本文提出了采用(2-(9H-咔唑-9-基)乙基)膦酸((2-(9H-carbazol-9-yl) ethylphosphonic acid, 2PACz)自组装层作为氧化镍/宽带隙钙钛矿界面修饰材料。该分子可以有效钝化氧化镍表面缺陷、调节上层钙钛矿的成膜及促进界面电荷传输，最终宽带隙钙钛矿太阳电池的光电转换效率由16.18%提升至18.42%。本工作为氧化镍空穴传输层在宽带隙钙钛矿太阳电池中的应用提供了一种可借鉴的策略。
宽带隙钙钛矿太阳电池 空穴传输层 氧化镍 自组装层 磁控溅射 刮涂法 wide-bandgap perovskite solar cell hole transport layer nickel oxide self-assembled layer magnetron sputtering blade-coating method
河南大学 材料学院，教育部特种功能材料重点实验室，河南 开封 475004
空穴注入效率低是制约蓝色量子点发光二极管（QLEDs）性能的关键因素。通过提升PEDOT∶PSS的电导率来增加器件的空穴注入效率是提升蓝色QLEDs性能的重要方向。由于二维材料碳化钛（Ti3C2Tx）具有较高的导电性、丰富的表面官能团及良好的亲水性等优点，有望通过掺杂提高PEDOT∶PSS的电导率。本文采用HCl/LiF刻蚀法制备了单层Ti3C2Tx纳米片，并将其掺杂到PEDOT∶PSS中制备了蓝色QLEDs器件。结果表明，当Ti3C2Tx的掺杂量为0.1%时，器件的最大外量子效率和电流效率分别达到15.2%和14.42 cd·A-1，与参比器件的9.09%和7.68 cd·A-1相比，分别提高了67%和87%。Ti3C2Tx纳米片对蓝色QLEDs器件性能提升有两个作用，一方面诱导PEDOT的构型从苯态到喹啉态转变，形成紧密堆积的大尺寸PEDOT纳米晶，并将这些导电纳米晶连接起来，构筑了新的电荷传输通道，提高了复合层的电导率；另一方面，通过掺杂实现了PEDOT∶PSS功函数的调节，提升了蓝色QLEDs器件的空穴注入效率。
Ti3C2Tx纳米片 蓝色量子点发光二极管 空穴注入 能级调控 Ti3C2Tx nanosheets blue light-emitting diode hole injection energy level regulation
1 特种环境复合材料技术国家级重点实验室(哈尔滨工业大学), 哈尔滨 150001
2 微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学), 哈尔滨 150001
5G 通信、能源互联网、新能源汽车、量子技术等高精尖领域对半导体的性能提出了新的更高的要求。第四代半导体金刚石因具有优异的物理化学性能被誉为“终极半导体”, 被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最理想的材料。而浅n型掺杂的技术瓶颈一定程度阻碍了金刚石半导体应用的发展。表面终端研究为金刚石功能化的发展提供了新的策略, 金刚石通过表面终端实现了场效应晶体管、肖特基二极管、日盲紫外探测器、电子发射器件和近表面色心调控等重要应用, 而表面终端发挥作用的机理与其能带结构特点密不可分。本文综述了几种常见终端的能带研究方法, 分析其能带的结构特点, 结合特点介绍其发挥作用的机理, 并进行了总结和展望。
金刚石 表面终端 能带结构 二维空穴气 肖特基结 紫外探测 diamond surface terminal energy band structure two-dimensional hole gas Schottky junction ultraviolet detection
1 华侨大学材料科学与工程学院 发光材料与信息显示研究院，福建 厦门 361021
2 中国工程物理研究院 化工材料研究所，四川 成都 610200
金属卤化物钙钛矿发光二极管（Perovskite light?emitting diodes，Pero?LEDs）器件结构中，空穴传输层（HTL）是影响Pero?LEDs效率的关键性因素之一。由于醋酸钴（Co（OAc）2）薄膜具有优异的光电特性，所以选其作为绿光Pero?LEDs的HTL。然而，纯的钴基底薄膜存在传输载流子能力较差、薄膜粗糙度较大等问题。因此，本文通过引入有机小分子添加剂乙醇胺（ETA）来有效调控传输层中Co3+/Co2+比例，提升传输层的导电能力。同时，因ETA的加入可以减缓退火过程中前驱体溶液的析出结晶速度，从而形成粗糙度较小的HTL薄膜，进而有利于形成高质量的钙钛矿薄膜。基于掺杂的HTL，其最优器件亮度高达45 207 cd/m2，最大外量子效率（EQE）达到15.08%，是一种性能较好的新型HTL。
钙钛矿发光二极管 醋酸钴 乙醇胺 空穴传输材料 掺杂 perovskite LEDs Co（OAc）2 ethanolamine hole transport layer doping
1 福建省计量科学研究院, 国家光伏产业计量测试中心, 福州 350003
2 福建江夏学院, 钙钛矿绿色应用福建省高校重点实验室, 福州 350108
为进一步降低钙钛矿太阳能电池(PSCs)制备成本, 提高其稳定性, 需要可低温制备、稳定和高效的无机空穴传输层。本文利用太阳能电池模拟软件SCAPS-1D对基于CuS空穴传输层的钙钛矿电池进行电学仿真, 探讨了吸光层的厚度和缺陷态密度、界面层缺陷态密度以及空穴传输层电子亲和能对太阳能电池性能的影响。从模拟结果可知, 当钙钛矿薄膜的厚度为400 nm, 吸光层和界面的缺陷态密度小于10-16 cm-3, 且CuS的电子亲和能为3.3 eV时, 电池性能较佳。优化后的电池性能如下: 开路电压(Voc)为1.07 V, 短路电流(Jsc) 为22.72 mA/cm2, 填充因子(FF)为0.85, 光电转换效率(PCE)为20.64%。本研究为基于CuS的高效钙钛矿太阳能电池的实验制备提供了理论上的指导。
钙钛矿太阳能电池 空穴传输层 数值模拟 界面 缺陷态密度 perovskite solar cell CuS CuS hole-transport layer numerical simulation interface defect density
