有机-无机钙钛矿晶体生长调控研究进展

钙钛矿太阳能电池是近5年太阳能转化利用领域的研究热点,受到国内外研究者的广泛关注.ABX3钙钛矿不但具有快速传递空穴和电子的能力,而且具有强而宽的可见光吸收性能.介观和平面结构钙钛矿薄膜电池是并重发展的钙钛矿太阳能电池.其小于1!m钙钛矿光活性层使得器件对钙钛矿层的结晶度和成膜性有着较高的要求.通过控制钙钛矿的结晶方式和质量来提高膜的性能就成为了提高电池光电转化效率的重要方式之一.第一部分综述了各种制备条件下利用一步法和两步法合成ABX3太阳能电池钙钛矿薄膜.进一步通过提高钙钛矿材料的晶体质量,将钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从3.8%提高到20%.此外,和钙钛矿薄膜相比,钙钛矿大晶体不但具有较长的载流子传输路径,而且结构更加完整,更有利排除其他因素的干扰,增进对钙钛矿结构的深入解析.因此第二部分重点介绍了钙钛矿单晶的性能和制备方法,并对其在太阳能电池和光电探测器中的应用做了初步展望.     

基于CuPc的反式钙钛矿太阳能电池低温制备

引入一种典型的p型半导体材料CuPc,采用反式钙钛矿太阳能电池结构,利用热蒸发沉积方法将其作为电池的空穴传输层,在低温条件下制备电池器件.对不同厚度CuPc膜对钙钛矿电池性能的影响进行了优化,采用电流-电压测试、扫描电镜、原子力显微镜和X-射线衍射等方法分析了电池的光电性能和薄膜质量.研究结果表明:热蒸发沉积的CuPc层具有良好的平整性和覆盖性,当其厚度为10 nm时,器件在刚性基底上取得了15.37%的最高光电转化效率,在柔性基底上取得了12.66%的最高光电转化效率.该电池制备过程简单、成本低且重复性高,为进一步制备大面积、高效率以及柔性化的钙钛矿太阳能电池提供了参考.     

多孔Pb基前驱体的构建对钙钛矿薄膜质量及光伏性能的影响研究

钙钛矿薄膜较大的晶粒尺寸、均匀的表面形貌以及较少的缺陷态是获得高效钙钛矿太阳电池的关键因素.采用PCBM修饰致密TiO_2电子传输层(ETL)表面,利用PCBM自身柔韧性促进形成疏松、多孔的Pb基前驱体薄膜,该结构有利于后续MAI溶液的充分渗透并为前驱体反应形成钙钛矿所必经的应力释放和晶体膨胀过程提供充分空间,从而获得高质量的大晶粒钙钛矿光吸收层.另外,将PbCl_2引入Pb基前驱体中可优化得到多孔骨架结构的PbICl前驱体薄膜,且钙钛矿薄膜中存在的非晶态PbCl_2可有效钝化材料缺陷,显著提高薄膜电学特性及整个电池性能.     

SnO2和TiO2薄膜在钙钛矿材料上的原子层沉积工艺

金属电极与卤素之间的扩散反应是造成钙钛矿太阳电池(PSC)衰退的重要因素,而利用原子层沉积(ALD)技术在金属电极和钙钛矿活性层之间沉积致密且电学性能良好的缓冲层,是解决上述问题的优选方案之一.本文主要研究了利用ALD技术在金属有机卤化物钙钛矿材料上沉积SnO₂和TiO₂薄膜的工艺兼容性问题.通过X线衍射和紫外-可见吸收光谱等技术,表征了分别作为钛源和锡源的四(二甲氨基)钛(TDMATi)和四(二甲氨基)锡(TDMASn)脉冲以及不同温度下水脉冲对钙钛矿薄膜结构的影响,分析了不同前驱体源的脉冲及吹扫时间对薄膜沉积模式的影响,获得了与钙钛矿材料相兼容的SnO₂和TiO₂薄膜的优化ALD工艺.将优化后的SnO₂和TiO₂薄膜ALD工艺应用于倒置PSC制备,对电池的J-V曲线和大气环境下的稳定性测试结果表明,基于ALD技术沉积的SnO₂和TiO₂缓冲层的引入,使得PSC的稳定性明显改善,而且其功率转换效率也有所提高.     

大面积钙钛矿薄膜的全方位热处理工艺研究

卤化物钙钛矿因为优异的光电性能和溶液法低成本的制备工艺获得了广泛的关注,并取得了飞速的发展。然而,钙钛矿薄膜仍然存在着大面积、高复现性和精准化学计量比制备难以实现等问题,阻碍了其商业化。本文介绍了一种液体介质退火(liquid medium annealing, LMA)方法。该方法选取高热导率、低黏度的苯甲醚制备了一个稳定的热处理液体环境,可实现钙钛矿薄膜的全方位加热,进而调节钙钛矿薄膜的生长。苯甲醚液体介质可轻易萃取钙钛矿薄膜中的残余溶剂(例如DMSO等),抑制钙钛矿中有机组分和卤族元素的挥发,避免周围环境中水、氧等在热处理过程中对钙钛矿薄膜的破坏;进而形成低缺陷密度、理想化学计量比、高均匀性、高复现性和较少的环境影响的高质量钙钛矿薄膜。采用该方案制备钙钛矿太阳能电池展现了良好的光电性能和复现性,当面积为0.08 cm2时电池的光电转换效率超过24.04%,当面积为1 cm2时电池的光电转换效率超过23.15%,并且平均效率大于23%。     

溶剂蒸汽退火对钙钛矿薄膜形貌和电池性能的影响

针对钙钛矿太阳能电池钙钛矿吸光层在溶液法旋涂中出现的薄膜旋涂不均匀、针孔、结晶性不好的现象,采用溶剂蒸汽退火和直接接触嵌入法(DCIP)结合的方法制备了结晶均匀并且晶体比较大的钙钛矿活性层。结果表明,当二甲基亚砜(DMSO)的加入量为15μL时,钙钛矿的平均粒径由大约300nm增加到1 200nm,对应电池的光电转化效率也由11%升高到14.33%.由此提高了钙钛矿太阳能电池的性能,并为制作面积较大的钙钛矿太阳能电池提供了依据和方法。     

低温溶液旋涂法制备钙钛矿太阳能电池用介孔TiO_2及其特征

采用低温溶液旋涂法成功制备了钙钛矿太阳能电池用介孔TiO_2层。利用场发射扫描电镜(FSEM)、X射线衍射仪(XRD)、倒置金相显微镜(SMM)对介孔TiO_2的形貌及组织结构进行了表征。结果表明:匀胶时间为20s、转速为1000r/min,旋涂时间30s、转速为4000r/min,制备的介孔TiO_2层为锐钛矿型,平均粒径为3μm左右,组织分布均匀,纯度高,可运用于快速制备高效钙钛矿太阳能电池。     

溶剂退火处理空穴传输层对改善钙钛矿电池性能的研究

近年来,基于CH_3NH_3PbX_3(X=Cl,Br,I)材料的钙钛矿太阳能电池发展迅速。控制钙钛矿电池中每一层的形貌对于提高电池性能的影响至关重要。使用溶剂退火的方法处理空穴传输层(spiro-OMeTAD),使其表面形貌更加平整均匀,从而改善了空穴传输层与金属电极的接触,减小了电阻,更加有利于电子的传输和收集。使用氯仿进行溶剂退火以后,钙钛矿电池光电转化效率从原来的11.3%提高到了13.1%。其中开路电压、短路电流密度、和填充因子均有大幅提高。电池的迟滞现象从原来的8.8%减小到1.5%。经过长时间测试,使用溶剂退火以后的电池稳定性也有明显改善。研究论证了溶剂退火处理空穴传输层对于制备高性能、低迟滞、更稳定的钙钛矿太阳能电池具有至关重要的作用。     

浴铜灵在提高反式钙钛矿太阳能电池性能的研究

近年来,基于CH_3NH_3PbX_3(X=Cl,Br,I)结构的钙钛矿太阳能电池由于其简单的制作工艺和较高的光电转化效率而吸引了大量的研究。在反式钙钛矿电池活性层中使用浴铜灵(BCP)来提高电池光电性能。使用溶液法旋涂BCP有效地把Ag电极的功函从原来的-4.23 e V降低到了-4.12 e V,改善了电子的传输和Ag电极收集电子的效率。从而提高了反式钙钛矿电池的短路电流密度和填充因子。光电转化效率由10.3%提高到12.6%。使用BCP的钙钛矿电池的稳定性也有约10%的提高。结果证明,使用BCP有利于提升反式钙钛矿电池的性能,对实现这类太阳能电池的商业化应用起到推动作用。     

反溶剂两步法制备TiO_2/CH_3NH_3PbI_3钙钛矿太阳能电池

一种基于钙钛矿结构碘铅甲胺薄膜太阳能电池由于成本低、光电效率高而成为研究热点.本文介绍一种反溶剂两步法制备平整均一钙钛矿薄膜太阳能电池的新工艺,即在旋涂碘化铅的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液时立刻滴加反溶剂氯苯,从而促进结晶.对器件和薄膜的分析显示该技术在旋涂时改变了钙钛矿成核和晶体生长动力学,其有利于制备出平整均一的钙钛矿薄膜.利用该方法制备的固态介孔结构太阳能电池,其效率达到了12.081%(在标准太阳光条件下测试),且电池的工艺重复性明显提升.     

中温固体氧化物燃料电池PrBa0.5Sr0.5Co2O5+δ-Ce0.9Gd0.1O1.95复合阴极的性能研究

采用固相法制备PrBa0.5Sr0.5Co2O5+δ(PBSC)中温固体氧化物燃料电池阴极材料.研究结果表明:PrBa0.5Sr0.5Co2O5+δ为正交钙钛矿结构.交流阻抗谱的测试结果表明,PBSC-40%GDC电极在800℃时的极化电阻为0.039Ω.cm2.以电解质为支撑体的单电池在800℃时的功率密度达到645 mW.cm-2.     

纽扣状TiO_2纳米球在钙钛矿太阳能电池中的应用

将具有(001)高能面的纽扣状二氧化钛纳米球添加到无空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池多孔骨架层材料中,能改变骨架层的形态结构,有利于形成高覆盖率的钙钛矿吸光层;同时纳米球可以提高光生载流子的分离和输运效率,有利于获得更高的开路电压和填充因子.优化纳米球与二氧化钛颗粒的比例,在AM1.5的标准光强下,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率由9.42%提升至11.5%.     

前界面缺陷对钙钛矿太阳电池性能的影响模拟

通过对光伏器件的模拟分析可以进一步提高对器件的认识深度,在实际工艺中利于优化器件制备条件,为高效钙钛矿太阳电池提供新思路.借助SCAPS模拟软件研究钙钛矿电池中钙钛矿吸收层、CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x/TiO_2界面、TCO/TiO_2界面中缺陷态密度对电池性能的影响,模拟表明CH_3NH_3P I_(3-x)Cl_x中缺陷态密度和缺陷能级位置对器件效率的影响非常大,当缺陷态密度小于10~(16)cm~(-3)时,器件光电转换效率都能保持较高数值,达到16%以上.CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x/TiO_2界面层中CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x缺陷态密度对器件的FF影响较大,当缺陷态密度小于10~(17)cm~(-3)时器件填充因子都能保持较高的数值,达到78%以上.TiO_2缺陷态密度降低和掺杂浓度提高对器件填充因子和开路电压都有利.TCO/TiO_2界面层中适当增大窗口层掺杂浓度和带隙可以有效改善器件的光伏性能.     

Li2CO3掺杂0.98(K0.5Na0.5)NbO3-0.02AETiO3陶瓷的介电与压电性能

采用常规电子陶瓷工艺,制备了1.0% Li2CO3掺杂的0.98(K0.5 Na0.5)NbO3-0.02AETiO3(AE=Mg、Ca、Sr和Ba)陶瓷(NKN-AET-Li).X射线衍射图谱(X-ray diffraction:XRD)显示所有样品均为钙钛矿结构,其中NKN-CaT-Li争NKN-SrT-Li陶瓷在室温下为正交-四方共存相,同时具有高的相对密度(＞96%);Li2CO3的掺杂提高了NKN-AET-Li陶瓷的居里温度(Tc≥400℃),并明显降低了其正交-四方相变温度To-t; NKN-CaT-Li和NKN-SrT-Li陶瓷室温下具有比较高的压电性能(d33=197 pC/N,243 pC/N;kp=0.32,0.34),并且其介电及压电性能在50～200℃温度范围内均表现出优良的热稳定性.     

La1-xSrxMnO3的制备及氧电极催化性能测试

采用添加表面活性剂的柠檬酸溶胶-凝胶法制备钙钛矿型纳米氧化物La1SrMnO3。通过差热-热失重分析,确定了钙钛石型氧化物的焙烧制度。XRD分析表明,制备出的氧化物样品特征衍射峰明显,杂峰少,晶形完整,为纳米氧化物。氧电极的最佳工艺条件为:催化剂载体选用在600℃下(用N2保护)烧结2h后的活性炭,粘结剂选用60wt%PTFE的水分散液,催化层中PTFE的含量约在20wt%。在此条件下对催化剂进行了放电测试,当La1SrMnO3中=0.2时催化活性最高,电池可以在电流密度达到120mA/cm2以上时长时间放电。     

二维少层钙钛矿物性的研究进展

随着近年实验技术的进展,一系列稳定的自支撑少层钙钛矿体系(包括氧化物钙钛矿和有机无机杂化钙钛矿)被成功制备,为设计二维多功能材料提供了巨大的机遇。文章将简略地回顾水溶性牺牲层外延和远程外延两种原子层级精确的生长技术,然后从第一性原理计算角度,聚焦其电子结构和几何结构性质,论述钙钛矿在二维少层情况下所表现出的一系列新奇特征和丰富物性。最后总结这些凝聚态物质表现出的复杂性和存在的普遍性,展望其在量子输运、光电和介电等领域的潜在应用。     

具有Ruddlesden-Popper结构的Ca_(1+x)Mn_xO_(1+3x)(x=1,2,3)的合成及层间Ca~(2+)的抽出

采用溶胶凝胶法合成前驱体,然后在氧气气氛下加热合成了具有层状钙钛矿Ruddlesden-Popper结构的化合物Ca1+xMnxO1+3x(x=1,2,3),尝试采用酸溶液对其层间Ca2+离子进行抽出.实验发现HCl处理单层Ca2MnO4,层状结构遭到破坏;而用(NH4)2S2O8与HCl的混合溶液处理则能维持其层状结构,且Ca2+离子抽出率大于60%,其抽出机制为氧化还原和离子交换.用HCl能够抽出双层Ca3Mn2O7的层间Ca2+,并保持较好的结构.     

中温固体氧化物燃料电池双钙钛矿PrBaCo2O5+δ作为潜在阴极的电化学性能研究

通过溶胶-凝胶制备双钙钛矿PrBaCo_2O_(5+δ)(PBCO)中温固体氧化物燃料电池阴极材料,研究结果表明:PrBaCo_2O_(5+δ)为四方结构.在100~850℃内,PBCO样品为金属导电机制.交流阻抗谱的测试结果表明:PrBaCo_2O_(5+δ)电极在800℃时的极化电阻为0.034 8Ω·cm~2.采用La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)电解质为支撑体的单电池在800℃时的功率密度达到558.7 m W/cm2.     

二茂铁修饰碳电极应用于钙钛矿太阳能电池的研究

二茂铁是一种具有良好氧化还原能力的金属有机化合物.近几年,二茂铁及其衍生物的光伏性能受到了极大的关注.本文将二茂铁引入钙钛矿太阳能电池,并成功组装了钙钛矿太阳能电池FTO/bl-TiO_2/mp-TiO_2/CH_3NH_3PbI_3/spiroOMeTAD/C/二茂铁(FC).二茂铁的HOMO能级(-4.8 eV)和碳电极的能级(-5.0 eV)与空穴传输相匹配.二茂铁层是将10 mg mL-1二茂铁氯苯溶液通过旋涂成膜制成,并覆盖在碳电极上.钙钛矿太阳能电池的能量转换效率由5.8%提升到6.2%.     

新一代钙钛矿太阳能电池的构筑与性能研究进展

综述钙钛矿太阳能电池的组装、结构及相关性能等领域的最新研究进展,总结甲胺铅碘电池的稳定性、材料毒性及制备方法、有关电学性质存在的争议、工作机理及结构优化等方面的问题和困难。指出制备高晶体质量的甲胺铅碘薄膜、深入理解甲胺铅碘基本物理化学性质及电池光生载流子输运机理是该领域的重要科学问题。提出应通过系统优化生长条件,获得高质量的甲胺铅碘薄膜,利用半导体实验方法精确测量钙钛矿材料的不同物理参数,利用能带理论设计和优化电池结构,进而深入探索光生载流子的产生、分离、收集和复合等输运规律。