1 1.河北师范大学 化学与材料科学学院, 薄膜太阳能电池材料与器件河北省工程研究中心, 石家庄 050024
2 2.河北师范大学 物理学院, 石家庄 050024
3 3.石家庄铁道大学 材料科学与工程学院, 石家庄 050043
4 4.河北省计量监督检测研究院, 石家庄 050052
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)具有高能量转换效率、低能耗和低成本等优点, 但PSCs界面缺陷引起的非辐射复合严重阻碍了其光电转换性能提升。本研究通过降低氧化镍空穴传输层的粒径尺寸, 提高粒径均匀性, 实现了光生空穴在电池界面的高效传输; 并通过优化钙钛矿薄膜的反溶剂作用时间提升结晶质量, 降低界面非辐射复合, 改善空穴传输层和钙钛矿的界面问题, 使钙钛矿太阳能电池的能量转换效率(PCE)从10.11%提高到18.37%。开尔文探针力显微镜(KPFM)研究表明, 界面优化后的钙钛矿薄膜在亮态下的表面接触电位差相比于暗态下增加了120.39 mV。采用压电力原子力显微镜(PFM)分析钙钛矿薄膜明暗态铁电性能, 发现界面优化后的钙钛矿铁电极化变化微弱, 说明优化界面有效降低了电池界面缺陷和迟滞效应。该研究结果表明, 优化氧化镍空穴传输层, 提高钙钛矿薄膜质量, 减少了界面缺陷, 降低了非辐射复合和电池迟滞效应, 提高了钙钛矿太阳能电池的能量转换效率。
钙钛矿太阳能电池 原子力显微镜 接触电位差 铁电极化 perovskite solar cell atomic force microscopy contact potential difference ferroelectric polarization
1 1.北京科技大学 钢铁冶金新技术国家重点实验室, 北京 100083
2 2.北京科技大学 冶金与生态工程学院, 北京 100083
钙钛矿太阳能电池(PSCs)发展迅速, 其能量转换效率(PCE)被一再刷新, 但长期稳定性还有待提高。目前大部分高效率钙钛矿太阳能电池在惰性气体环境中完成制备, 成本高且操作空间有限, 不利于产业化应用。本研究成功在空气中制备了具有超长稳定性的混合阳离子钙钛矿太阳能电池, 系统探究了A位阳离子掺杂对钙钛矿微观结构、光电性能以及稳定性的影响。实验结果表明, 掺杂FA+和Cs+可以提高钙钛矿薄膜质量, 优化钙钛矿/SnO2的能级排列, 抑制载流子复合, 显著提高器件的光电转换效率、长期以及湿热稳定性。Cs0.05MA0.35FA0.6PbI3电池的最佳PCE为19.34%, 在(20±5) ℃, 相对湿度<5%的黑暗环境中放置242 d后, 仍保持初始效率的85%。MAPbI3电池在同样测试条件下放置112 d后, 效率下降为初始值的30%。掺杂FA+和Cs+也显著提高了电池的抗热和抗湿性。Cs0.05MA0.35FA0.6PbI3电池分别在(85±5) ℃、相对湿度20%~30%和(20±5) ℃、相对湿度80%~90%的黑暗环境中放置96 h后, PCE分别为初始值的99%和84%, 而MAPbI3在同样条件下的PCE仅为初始值的70%和56%。本研究为在空气环境制备高效、超长稳定的混合阳离子钙钛矿太阳能电池提供了参考。
钙钛矿太阳能电池 混合阳离子 长期稳定性 全空气环境制备 perovskite solar cell mixed cation long-term stability full-air environment preparation
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
合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 测量理论与精密仪器安徽省重点实验室, 合肥 230009
溶液制备的钙钛矿薄膜通常含有大量晶界, 会降低薄膜结晶质量, 导致缺陷复合, 不利于提升器件性能。因此，制备更高结晶质量的薄膜来进一步提升能量转化效率是钙钛矿太阳能电池面临的挑战。液晶分子具有强的自组装能力和形貌调节能力, 本研究引入一种向列型单分子液晶4-氰基-4′-戊基联苯(5CB)作为甲脒铅碘(CH(NH2)2PbI3, FAPbI3)钙钛矿前驱液的添加剂, 可以增大钙钛矿晶粒尺寸, 减少晶界。此外, 5CB的氰基能钝化钙钛矿晶粒表面未配位的Pb2+, 降低缺陷态密度, 从而抑制非辐射复合。经过优化, 添加0.2 mg/mL 5CB的钙钛矿太阳能电池的能量转化效率达到21.27%, 开路电压为1.086 V, 电流密度为24.17 mA/cm2, 填充因子为80.96%。本研究证明使用单分子液晶作为添加剂是提升FAPbI3钙钛矿电池性能的有效策略。
钙钛矿太阳能电池 甲脒铅碘 液晶 4-氰基-4′-戊基联苯 缺陷钝化 perovskite solar cell FAPbI3 liquid crystal 4-cyano-4′-n-pentyl-biphenly defect passivation
1 泉州师范学院物理与信息工程学院 福建省先进微纳光子技术与器件重点实验室，福建 泉州 362000
2 福州大学 先进制造学院，福建 泉州 362200
3 福建师范大学 光电与信息工程学院，福建 福州 350117
利用一维太阳能电池仿真软件SCAPS对全无机钙钛矿太阳能电池中缺陷对器件性能的影响进行了研究。研究表明，在ITO/SnO2/CsPbI3/CuI/Au电池中，CuI/CsPbI3界面和CsPbI3光活性层缺陷密度对器件的性能具有较大影响。随着缺陷密度增大，器件的开路电压、短路电流、填充因子和光电转化效率均减小，尤其是当缺陷密度大于1015 cm-3后，器件性能显著下降。相反地，CsPbI3/SnO2界面缺陷对器件性能无显著影响。通过优化器件的缺陷密度、光活性层的厚度和受主掺杂浓度，全无机钙钛矿太阳能电池的光电转化效率可以达到20%以上。
钙钛矿太阳能电池 全无机 缺陷 仿真 perovskite solar cell all inorganic defect simulation
兴义民族师范学院物理与工程技术学院,兴义 562400
Sn基钙钛矿材料因其无毒、较宽带隙和热稳定性成为太阳能电池研究领域的热点。本文利用SCAPS-1D软件构建了结构为FTO/TiO2/CH3NH3SnI3/Spiro-OMeTAD/Ag钙钛矿太阳能电池并对其相关性能进行了数值计算。研究了钙钛矿光吸收层厚度、空穴传输层厚度、空穴传输层和钙钛矿光吸收层间面缺陷,以及工作温度对器件性能的影响, 然后对器件性能进行优化。经优化后, 钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为30.955%。通过理论分析进一步为提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提供了新的思路。
钙钛矿太阳能电池 吸收层 界面层缺陷密度 光电转换效率 数值模拟 perovskite solar cell absorption layer interfacial defect density photoelectric conversion efficiency numerical simulation CH3NH3SnI3 CH3NH3SnI3
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
南京大学 现代工程与应用科学学院，江苏 南京 210000
目前，推动能源产业向高效、清洁、灵活的体系转型已成为解决世界环境问题的关键。与此同时，随着技术革命和物联网的发展，将太阳能电池和设备集成到一个部件中从而在更多元化的应用场景中采集能量成为了人们的新需求。以聚苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等柔性聚合物为基底的柔性钙钛矿太阳能电池（FPSCs）具有高能量转换效率、高柔韧性和灵活性、低制备成本和一定的便携性，在近十年的发展时间里成为了第三代太阳能电池中的后起之秀。此外，它对环境友好和经济效益良好的卷对卷制造技术具有的天然亲和力，使其在柔性自供电电子产品、大型建筑集成光伏（BIPV）和空间航空航天的发展中发挥着关键作用。本文着重讨论了柔性透明导电衬底、低温加工电荷传输层和机械弹性钙钛矿膜在单结和叠层FPSCs中的重要作用，并简要总结了其最新进展。最后，结合FPSCs的大规模制造技术，对封装的可靠性和操作稳定性提出了一些见解，并展望了在大面积组件等方面的潜在实际应用。
柔性 钙钛矿太阳能电池 柔性钙钛矿叠层太阳能电池 光伏组件 flexible perovskite solar cell flexible perovskite tandem solar cell photovoltaic module
1 中国计量大学材料与化学学院，浙江 杭州 310018
2 大连理工大学化工学院，辽宁 盘锦 116086
钙钛矿太阳能电池在近年发展迅猛，电池效率在几年内连续增长达到2022年认证的25.7%，在光伏器件领域展现出巨大的潜力。尽管钙钛矿太阳能电池具有较高效率，但其热稳定性及湿度稳定性等仍是阻碍其发展的一大屏障。金属离子掺杂被认为是提高钙钛矿光伏器件光电转化性能和稳定性的有效方式之一。其中过渡金属由于其具有多价位等独特性能受到研究人员的青睐。本文综述了近5年采用过渡金属对钙钛矿光伏器件各层进行掺杂修饰的最新研究进展，总结了使用过渡金属离子掺杂钙钛矿太阳能电池的电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层以及金属电极层的方法和策略，探讨运用此类手段优化钙钛矿光伏器件结构、光电性能及稳定性等参数的规律和机理。
材料 钙钛矿 钙钛矿太阳能电池 过渡金属 金属阳离子掺杂 掺杂机制 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0900002
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
