ZnO纳米结构及其在钙钛矿光伏电池中的应用

近年来,有机-无机杂化钙钛矿光伏电池取得了突飞猛进的发展,已成为光伏领域的研究焦点;其光伏性能的不断提高不仅与钙钛矿材料自身质量与光电特性的提升有关,同时依赖于载流子传输层的优化与设计.鉴于ZnO的优势和特性,本文聚焦于ZnO纳米结构设计及其在钙钛矿光伏电池中的应用,简述了ZnO材料独特的光电性质,总结了ZnO纳米结构的制备方法及合成原理;详细综述了不同维度ZnO纳米结构在钙钛矿光伏电池中的发展进程,着重阐述了化学掺杂、表面修饰、应力调控策略在ZnO基钙钛矿光伏电池性能优化方面的研究进展.本文系统总结了ZnO电子传输层的国内外研究现状、应用前景及发展趋势,为设计构筑高性能ZnO基钙钛矿光伏电池提供了重要的指导.     

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池简介

由于近年来人们对于能源和环境问题的重视,有机无机杂化钙钛矿受到了越来越多的关注。钙钛矿作为一种兼具了有机组分和无机组分优点的材料,在光伏发电、发光、铁电、光探测器等领域有着很好的应用前景。钙钛矿作为光伏材料具有晶形规整、吸收光范围广、吸光量大、光致发光寿命长、荧光强度高等多种优越的性能,可有效降低太阳能电池产业的生产成本,减少电池制备过程的能耗并缓解环境污染,提高电池的光电转化效率;而将其用作光致发光材料可得到光强更强、光子寿命更长的荧光。本文主要介绍了近年来被用于制作太阳能电池的多种钙钛矿材料与器件,并对钙钛矿太阳能电池的发展趋势进行了探讨。     

有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的研究进展

2009年CH3NH3PbI3太阳能电池问世,因其具备制备工艺相对简单、光电转换率高等优点,引起了国内外研究者极大的关注.近几年,有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池发展迅速,光伏性能不断得到提高.然而CH3NH3PbI3电池器件受钙钛矿材料本身禁带宽度的限制,对太阳光的吸收光谱不够宽,并且其重要组成部分的Pb元素,具有一定毒性.因此制备带隙更窄、环境友好及化学稳定性好的有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池具有重要的应用价值.本文评述了以寻找Pb的替代元素、提高入射光吸收效率、改善太阳能电池光伏性能为目标所进行的钙钛矿材料禁带宽度调控方面的研究成果,比较了有机、无机空穴传输材料和无空穴传输材料钙钛矿太阳能电池的光伏性能,讨论了界面结构在电子和空穴输运过程中的重要性.介绍了目前在CH3NH3Pb I3及类似有机金属卤化物钙钛矿材料的原子结构、能带结构和禁带宽度等理论研究方面的进展,讨论了常见计算方法的优缺点和需要注意的问题,为开展有机金属卤化物钙钛矿的理论研究提供了思路.最后提出该领域目前存在的问题以及对未来的展望.     

高稳定性、高量子产率CsPbBr3@CsPb2Br5纳米晶体的可控合成及性能

近年来,全无机铅卤钙钛矿材料(CsPbX_3)因其优异的光学性能和相对于有机-无机杂化钙钛矿更好的稳定性等优势,从各类钙钛矿中脱颖而出,成为当前最具潜力的光电材料之一.本研究从提高全无机铅卤钙钛矿的稳定性出发,从材料的合成入手,采用创新方法:伪包晶法,利用溶液中的包晶反应实现对CsPbBr_3钙钛矿的同元素表面修饰;通过合理控制反应物的配比,制备出表面均匀分布CsPb_2Br_5相的CsPbBr_3@CsPb_2Br_5复合型钙钛矿.复合材料中同元素CsPb_2Br_5相的存在降低了CsPbBr_3的表面缺陷浓度,并对CsPbBr_3相起到一定的保护作用,提高了CsPbBr_3钙钛矿的发光和稳定性能.     

钙钛矿太阳能电池中有机空穴传输材料掺杂方法研究进展

新一代有机无机杂化钙钛矿太阳能电池展示出高光电转换效率(25%)、低材料成本和简易制作工艺等优势,被认为是最有应用前景的新一代光伏技术.钙钛矿太阳能电池的未来规模化应用对其稳定性提出了更高的要求.其中空穴传输层是高效率钙钛矿太阳能电池不可或缺的组分,对提升器件的稳定性起至关重要的作用.近年来,随着新型空穴传输材料的开发以及对材料掺杂过程的理解,化学掺杂剂的选择与设计是提升空穴传输材料导电性和稳定性的关键因素之一.基于目前开发的掺杂剂种类和对掺杂机理的了解和认识,本文回顾性总结了有机空穴传输材料化学掺杂方法的研究进展.     

具有钙钛矿结构的分子铁电体研究进展

铁电材料是一类重要的功能性材料,由于其特殊的可翻转的自发极化,铁电材料在能源、信息、传感、医学等领域都有着广泛的应用.自20世纪以来,具有钙钛矿结构的铁电材料由于其优异的性质一直活跃在应用的舞台上,而其中应用较为广泛的几乎都是无机钙钛矿材料.近年来,随着科学技术的发展,人们发现了众多具有钙钛矿结构的分子铁电体.这些新型的分子铁电体具有较低的声阻抗、容易进行结构设计和调控、容易实现多种功能特性等优点,有望在柔性电子学、薄膜器件等应用中成为无机钙钛矿铁电材料的有益补充.本文结合分子钙钛矿铁电体的设计思路,对近年来其在压电、能隙调控、光电等功能特性方面取得的进展进行了介绍.     

钙钛矿太阳能电池的内建电场调控策略研究进展

钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells, PSCs)作为一种高效率、低成本的光伏器件引起了国内外学者的广泛关注.电池内部的载流子分离和传输是器件工作的核心过程,直接关系到器件的光电转化效率.异质结形成的内建电场主导着载流子的行为,其强度大小决定器件中电子和空穴的分离效率,所以对内建电场的调控和优化可以从根本上提升电池的性能.本文首先对钙钛矿太阳能电池中的内建电场以及载流子分离机制进行介绍,然后对目前常见的钙钛矿太阳能电池内建电场的调控策略及其对器件性能的影响进行总结,主要包括通过掺杂、构建三维/二维钙钛矿异质结、构建偶极层等调控钙钛矿太阳能电池的内建电场.最后,对钙钛矿太阳能电池的内建电场调控技术进行评价,并对未来该领域的发展进行展望.     

金属离子替换的有机-无机钙钛矿太阳能电池及其迟滞现象

注入金属离子替换有机-无机钙钛矿中参与成键的Pb~(2+)可以有效调控其结晶动力学、薄膜形貌和光电特性,因此,通过优化Pb~(2+)替换比例提高钙钛矿太阳能电池性能是当前的研究热点之一.但是, Pb~(2+)替换对器件异常迟滞现象的影响却缺乏深入的研究.本文采用Cd~(2+)替换的MAPbI_3为模型体系,研究了不同Cd~(2+)浓度下MAPbI_3材料性质及其平面异质结光伏器件(结构为ITO/NiO_x/Cd-MAPbI_3/PCBM/Ag)性能的变化趋势.研究结果表明,优化比例(0.5%)的Cd~(2+)可以有效增强材料结晶性、改善薄膜形貌,降低非辐射复合,提高光生载流子寿命,从而大幅提高器件性能.而Cd~(2+)替换比例过高(2.5%)时,钙钛矿薄膜中不仅会出现相分离阻碍电荷传输,而且其非辐射复合加剧,光生载流子寿命降低,最终导致器件性能下降.与此同时,过量的Cd~(2+)注入还会引起严重的迟滞现象,利用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)证实这一现象与钙钛矿薄膜中显著的离子迁移有关.     

手性钙钛矿材料的自旋电子学研究进展

研究电子的自旋性质对自旋电子器件的发展非常重要.虽然各类铁磁金属以及合金半导体材料的自旋电子学研究取得了重大进展,但是这些材料在合成时需要高温处理,应用时则需要满足晶格匹配条件并施加磁场或者极端温度.手性钙钛矿材料的特殊结构赋予了其新的自旋电子性质,且相关应用可以在室温下实现,这将其与传统的自旋电子材料区分开来.近年来,手性钙钛矿材料的自旋电子学研究取得了重要进展,非常有必要对相关研究结果进行总结.基于此,本文评述了手性钙钛矿的自旋动力学以及相关应用的最新研究进展.首先,本文简单介绍了手性钙钛矿的发展.其次,从理论上阐述了手性钙钛矿的能带结构、自旋轨道耦合及手性诱导自旋选择性效应.再次,回顾了手性钙钛矿自旋电子弛豫过程及其应用(自旋电荷输运、光伏器件、自旋发光二极管及圆偏光探测等)的研究进展.最后,对手性钙钛矿材料在自旋电子学领域的应用前景以及面临的挑战进行了总结和展望.     

掺杂聚合物对有机薄膜二极管整流特性的影响

近几年来,人们对有机材料尤其是带有π共轭双键的导电聚合物产生了极大兴趣,因为这类导电聚合物在结构上具有和无机半导体(如Si等)材料的相似性,而且还可根据一定的设计要求,通过改变它们的聚合度来获得所需要的能带宽度.另外,可通过极为方便的甩胶涂膜(RC)或浸没涂膜(DC)等方法对这些聚合物进行制膜.目前,人们已经用聚合物材料制成了具有不同功能的有机薄膜晶体管,如Schottky门电路和绝缘门电路薄膜晶体管.在这些聚合物中,特别引人注目的是聚烷基噻吩.它不仅是一种可溶性的导电聚合物,而且还具有独特的物理化学特性,如热致变色、溶致变色现     

基于闪蒸法制备平面钙钛矿光伏器件

自2009年第一块基于钙钛矿材料的太阳能电池被制备出来,经过近10年的发展,目前钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经从最初的3.8%提升到超过22%,这使得越来越多的人关注到钙钛矿太阳能电池,它被认为是在未来可能取代硅基太阳能电池的新一代太阳能电池.影响钙钛矿光伏器件性能的关键因素是钙钛矿活性层的制备.在本工作中,使用实验室自制的真空闪蒸设备制备钙钛矿光伏器件,并对前驱液制备、抽气压强等参数进行研究,优化最佳真空闪蒸钙钛矿CH_3NH_3PbI_3层条件,优化后器件最高转换效率达到18.09%.同时尝试在前驱液中掺入CH_3NH_3Cl并制备柔性器件,通过改变掺杂比例进行优化后刚性器件和柔性器件的最高转换效率分别达到了18.69%和15.10%.本工作可以对钙钛矿膜层的制备起到指导作用,进而得到光电性能更好的钙钛矿光伏器件.     

锡基钙钛矿太阳能电池研究进展

有机-无机杂化钙钛矿具有优异的光吸收性能和较高的载流子迁移率等优点,相应的钙钛矿太阳能电池在经历短短11年的发展后,光电转换效率已接近单晶硅电池.同时,制备工艺简单、生产成本低等优势令钙钛矿太阳能电池具有极大的商业潜力.然而,存在于传统钙钛矿太阳能电池中铅的毒性仍是限制其大规模生产最重要的阻碍之一.低毒性的锡基钙钛矿继...     

钙钛矿太阳能电池研究进展

钙钛矿太阳能电池自2009年被提出以来取得了迅猛的进展,其性能甚至超越了其他类型电池多年的积累,在2013年被Science评为国际十大科技进展之一.截至目前,钙钛矿电池已经取得了转换效率为20.1%的佳绩,并在不久的未来有望继续迅速突破.本文主要总结了2014年至今钙钛矿电池研究所取得的部分最新进展,从钙钛矿太阳能电池的基本结构、工作机理、界面调控、制备工艺等方面出发,针对提高电池效率及稳定性、环境友好化等几个亟待改进的问题进行概述总结.本文在现有研究成果的基础上,对未来仍需努力的方向进行展望,有助于我国研究者迅速了解钙钛矿太阳能电池研究的最新动向并取得进一步突破.     

基于液晶高分子的光响应智能形变材料

智能材料简述智能材料按照其材质的不同大体上可以分为金属类智能材料、无机非金属类智能材料以及智能高分子材料。智能高分子材料与金属类智能材料和无机非金属类智能材料相比，具有较多的优越性能，比如，质轻、价廉、可加工性能优良，而且有机分子的结构上较容易接入各种功能性的官能团，可以丰富材料的功能，拓宽其应用范围。智能高分子材料的品种多、范围广，包括智能凝胶、智能高分子膜材、智能纤维、智能粘合剂、智能药物缓释体系等。其外界环境的刺激方式主要有力、热、光、电、磁、化学环境等。材料的响应方式也多种多样，     

钙钛矿太阳能电池的稳定性

有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池的研究在近几年里获得了极大的突破.然而,电池长期的稳定性和重金属铅的毒性等问题仍未得到完全解决.本文将讨论钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素,从器件结构方面入手分析钙钛矿材料、空穴传输材料、电子传输材料以及电极对钙钛矿电池稳定性的影响,然后根据不同结构中影响电池稳定性的因素提出对应的解决方案,从而提升钙钛矿太阳能电池稳定性.最后,我们提出由n型半导体层、绝缘层和p型半导体层依次层叠构成的全无机介孔p-i-n结构框架有助于钙钛矿电池的稳定性.     

可控降解性能的生物活性玻璃的制备及其生物活性研究

生物活性玻璃和生物陶瓷材料因其优异的生物相容性而引起广泛关注, 然而现有材料的生物降解性能限制了其在骨组织工程领域的应用. 通过高温熔融法制备了硼硅酸盐生物活性玻璃, 研究显示此类玻璃不仅表现出良好的生物相容性和生物活性, 且在体外含磷溶液中具有完全降解的特性, 降解速率可由玻璃的成分加以控制. XRD和FTIR等实验结果表明, 硼硅酸盐生物玻璃的降解产物为碳酸羟基磷灰石, 接近于人体骨的无机矿物成分.     

钙钛矿的氧同位素分馏

钙钛矿(CaTiO_3)是金伯利岩中的特征副矿物,偶尔可以成为主要组成矿物.它也常以副矿物形式存在于许多碱性岩和某些变质岩中.具有钙钛矿结构的硅酸盐是下地幔的重要组成矿物.因此,理解钙钛矿的氧同位素分馏性质不仅对于含这种矿物的地壳地幔岩石的地质测温和热历史探索,而且对于地幔的化学结构研究具有重要意义.然而,至今尚未有人对钙钛矿的氧同位素分馏进行深入系统的研究.仅加拿大的Gautason等对方解石-钙钛矿之间的氧同位素分馏做了初步实验测定.本文根据作者建立的增量方法,从理论上计算了钙钛矿的氧同位素分馏.     

直流溅射法制备电致变色NiO_x膜

材料在外电场或电流的作用下,发生可逆的色彩变化叫电致变色(Electrochromic)现象.电致变色材料在大面积显示、调光囱户(Smart window)以及信息的(彩色的和连续的)贮存等领域,有很好的应用前景.目前研究的重点是若干过渡金属氧化物及其水合物的电化学变色性(Electrochemichromism),其工作模式是:将这些材料制成覆盖在导电(透明)衬底上的薄膜,并成为电池的一个电极,给电极施加电压后,薄膜两侧同时分别注入(或抽取)电子和离     

杂化钙钛矿太阳能电池中缺陷与界面钝化层的研究进展

近年来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其优异的光电转换效率和低廉的制备成本引起了科研工作者的广泛关注,但钙钛矿薄膜中出现的大量缺陷严重制约了电池性能与工作稳定性的进一步提升.本文一方面总结了钙钛矿晶体中各类缺陷的形成过程与物理性质,并分析了各类缺陷对太阳能电池工作的影响;另一方面从界面钝化层出发,综述了以Lewis酸、Lewis碱、有机胺与铵盐、聚合物、金属氧化物、三维钙钛矿、石墨烯和无机盐等材料作为界面钝化层的钝化机制与钝化效果.通过对现有研究成果的分析,总结出有效的界面钝化思路与策略,为钙钛矿太阳能电池界面钝化领域的工作提供一定的参考.     

太阳能电池结构材料中侧向光伏效应的研究进展

侧向光伏效应自发现以来,由于其在高精度光位置灵敏探测领域的重要应用引起了极大关注.本文主要综述近年来在Si、a-Si:H、铜铟镓硒(CIGS)、Sb2S3、GaAs/AlGaAs等几种常见太阳能电池结构材料中侧向光伏效应的研究进展,分析了层结构、厚度、掺杂、电极间距、工作温度、外偏压、光照波长和功率等条件对侧向光伏响应的影响及作用机理,同时对比了侧向光伏效应和光伏效应在工作原理上的区别和联系,最后总结了太阳能电池结构材料在光位置灵敏探测器方面所取得的研究结果,并对其未来发展方向和所面临的挑战进行了探讨和展望.