鈣鈦礦太陽電池
關注創建者：放學你等著 創建時間：2019-01-07
鈣鈦礦太陽電池的實例教程
電池效率統計直方圖
【小結】
綜上所述，通過將二維/三維本體異質結和晶界鈍化策略相結合，使器件效率由傳統的19.15%提升至20.62%。研究發現，二維Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦的引入，可以優化鈣鈦礦的成膜過程，增大鈣鈦礦的晶粒尺寸；少量鹵素離子摻雜有助于晶體沿外平面方向生長，促進電荷沿垂直方向的傳輸；同時帶有路易斯堿功能基團的半導體有機小分子的引入，可以進一步鈍化鈣鈦礦內部缺陷，提升鈣鈦礦載流子遷移率。此外，分子鈍化后的二維/三維鈣鈦礦薄膜展現出良好的耐濕性和空氣穩定性，在40%的濕度環境下存放60天仍維持其原有效率的87%。此項研究工作創新性地實現了分子鈍化與二維/三維鈣鈦礦本體異質結的融合，為制備無Cs+/MA+摻雜的高效穩定甲脒基鈣鈦礦太陽電池提供了新的思路和方法，有望為推動鈣鈦礦太陽電池走向商業應用做出貢獻。
展開 【引言】
近幾年，鈣鈦礦太陽電池的光電轉化效率屢創新高，在LED、光電探測器等領域也大放異彩，儼然成為一種“萬能材料”。然而，鉛的毒性問題始終是籠罩在電池產業化道路上的一片烏云。為了解決鉛毒問題，人們開始探索非鉛新材料，其中，錫是理論上和實驗上最有潛力成為高效無鉛太陽電池的重要元素。而最基本也是最重要前提是獲得高致密、無針孔的錫基鈣鈦礦薄膜。迄今，取得較好效率的薄膜大多出于反溶劑法，需要使用高毒性溶劑（如氯苯等），正所謂“按下葫蘆浮起瓢”。發展綠色工藝、利用綠色原料、制備高品質大面積（>20 cm2）錫基鈣鈦礦薄膜，是基礎研究的難點，更是工業化技術發展的關鍵。
【成果簡介】
近期，西安交通大學材料學院（材料國家重點實驗室）楊冠軍教授課題組在美國化學會旗下的國際知名期刊ACS Applied Materials & Interface上發表題為“Green Solution-Processed Tin-BasedPerovskite Films for Lead-Free Planar Photovoltaic Devices”的研究論文。論文第一作者為西安交通大學材料學院2017級博士研究生李小磊。利用課題組自主發展的液膜抽氣技術實現了高致密、無針孔錫基鈣鈦礦薄膜的制備，首次獲得了大面積（>20 cm2）錫基鈣鈦礦薄膜，摒棄高毒反溶劑、膜層材料無鉛、制備工藝高效環保，為未來錫基鈣鈦礦太陽電池的大面積制備和工業化應用提供了切實可行的技術路徑。最后，將抽氣處理的錫基鈣鈦礦薄膜應用在正向平面鈣鈦礦太陽電池中，實現了1.85%的轉換效率，這是c-TiO2/Sn-Perovskite/HTM/Au結構中目前報道的最高效率。
展開 南昌大學/江西師范大學陳義旺教授課題組提出了采用一種非潤濕的油溶性PEDOT（Oil-PEDOT）做為空穴傳輸層制得高性能的柔性鈣鈦礦太陽電池。研究發現，Oil-PEDOT有著很好的結晶性和可印刷性，在非摻雜的狀態下有良好的導電性和電荷傳輸性能，在調控了大面積柔性鈣鈦礦的結晶質量后，器件的機械穩定性得到很大提升。
鈣鈦礦由于其優異的光電性能和結晶性在光伏器件中得到了廣泛應用。過去十年里，在研究人員的不懈努力下，鈣鈦礦太陽電池得到了突飛猛進的發展，最高認證效率（NREL）已經超過了25%。然而，大面積柔性鈣鈦礦薄膜結晶質量不佳和高成本的物料依然是限制鈣鈦礦太陽電池朝商業化進軍的重要因素。最近陳義旺教授課題組合成了一種非潤濕的油溶性PEDOT（Oil-PEDOT）并將其作為陽極界面層應用在柔性鈣鈦礦器件當中。
作者首先對合成的Oil-PEDOT進行了初步的光學和電學表征，相比于參考樣品（PEDOT:PSS），其性能有一定改善，如圖1所示。進一步研究后發現Oil-PEDOT中PEDOT組分含量要遠高于PEDOT:PSS，同時在相應的薄膜上也觀察到Oil-PEDOT的結晶性要強于PEDOT:PSS，具有島狀結晶的Oil-PEDOT更利于電荷傳輸同時也改善了上層鈣鈦礦的結晶生長質量。此外，在光學顯微鏡下觀察到Oil-PEDOT不存在很明顯的液邊擴張現象，從而可以印證其相比于參考墨水（PEDOT:PSS）來說具有更優的可印刷性，如圖2所示。
圖1 合成工藝及光學性能圖。
圖2 材料的性能和形貌表征。
作者進一步在優化后的陽極界面層上沉積鈣鈦礦，發現其上層鈣鈦礦的晶體質量得到明顯改善，這與Oil-PEDOT上鈣鈦礦成核和結晶時間的降低有關。
展開 作者進一步在優化后的陽極界面層上沉積鈣鈦礦，發現其上層鈣鈦礦的晶體質量得到明顯改善，這與Oil-PEDOT上鈣鈦礦成核和結晶時間的降低有關。同時，紫外吸收、穩態熒光和瞬態熒光印證了鈣鈦礦晶體質量的改善帶來光學性能的提升。在5cm×5 cm的大面積鈣鈦礦薄膜上選取了2500個點位測試其鈣鈦礦（110）的峰值，發現基于Oil-PEDOT的鈣鈦礦晶體質量更為均一，進一步印證了基于Oil-PEDOT的鈣鈦礦結晶質量較高且更平均，如圖3所示。
圖3 鈣鈦礦薄膜的形貌和性能表征。
將上述薄膜集成到柔性鈣鈦礦器件中，相應器件性能如圖4所示。相較于采用PEDOT:PSS作為空穴傳輸層的器件，基于Oil-PEDOT的器件短路電流、填充因子和開路電壓都有明顯提升。基于Oil-PEDOT的最高效率達到了19.51%，相比于參考器件的14.84%高出了4.67%。同時，穩態輸出等電學表征也證明了器件性能的有效提升。同時，在25 cm2的鈣鈦礦模組上得到了16.70%的光電轉換效率，有效面積為22.5 cm2。
圖4 柔性鈣鈦礦太陽電池電學性能表征。
機械穩定性表征發現，基于Oil-PEDOT的器件機械穩定性有明顯提升，長時間穩定性也有明顯改善。穩定性提高可歸因于優化器件中碘離子遷移受到抑制，而離子遷移性能的差異可結于Oil-PEDOT上鈣鈦礦晶體質量的明顯改善，如圖5所示。
圖5 柔性鈣鈦礦太陽電池的穩定性表征。
展開 目前，研究院有專職科研人員16名，擁有包括PECVD、濺射和SEM、XRD等大型材料與器件的制備與表征設備50余臺(套)，主要開展高效率晶體硅太陽電池、化合物薄膜太陽電池、鈣鈦礦太陽電池、鋰電池和光伏系統等方向的研究。
團隊近期在PSCs領域的工作匯總：
在全無機鈣鈦礦太陽電池方面，團隊率先開發了兩步控溫方法，制備了高致密大晶粒的CsPbIBr2薄膜，并采用低功函超薄MoOx作為陰極緩沖層，制備了基于倒置結構的CsPbIBr2 PSC，該器件被證明在空氣中可以忍受高達160℃的高溫，相關結果發表在Nano Energy, 2017, 41: 75-83。在此基礎上，該團隊進一步采用了ZnO@C60雙電子傳輸層，優化能級匹配，提升電子的萃取效率，并改善了界面接觸狀態，最終制備的CsPbI2Br 全無機PSC實現了超過13%的能量轉換效率，并實現了在氮氣中，85℃下加熱360h，效率衰退在20%之內，相關成果發表在J. Am. Chem. Soc., 2018, 140(11): 3825-3828。
在有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池方面，團隊創新性的將乙酰丙酮鎵(GaAA3)與鈣鈦礦(CsxFA1-xPbI3)前驅體進行組裝，通過原位生長獲得了具有核殼結構的鈣鈦礦晶體薄膜。該器件在最大功率輸出5h后的效率仍然可以穩定在18%以上，在50%相對濕度的條件下，800h后仍能保持最初器件效率的90%，相關成果發表在Energy Environ. Sci., 2018, 11(2): 286-293。此外，團隊將1-(2-吡啶基)-1H-吡唑 (PZPY)與鈣鈦礦(Cs0.04MA0.16FA0.8PbI0.85Br0.15)前驅體進行組裝，原位生長獲得了具有1D-3D復合鈣鈦礦結構的晶體薄膜。
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有機-無機復合鈣鈦礦由于具有高光吸收、低結合能、高缺陷容忍度、高載流子遷移率和長載流子擴散長度等優點，在太陽能電池的發展中引起了極大的研究興趣。在過去的幾年里，三維鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率迅速提高到25%，接近Shockley-Queisser極限。然而，二維Ruddlesden-Popper(RP)鈣鈦礦由于其不完全的光吸收和電荷傳輸，因此表現出相對較低的效率。 來自華中科技大學的學者制備
蓋世汽車訊 據外媒報道，倫敦瑪麗女王大學（Queen Mary University of London）的研究人員開發了一種新工藝，以生產穩定的鈣鈦礦材料，制造更高效的太陽能電池。
（圖片來源：倫敦瑪麗女王大學）
在太陽能電池中，晶體硅是應用最廣泛的材料。然而，由金屬鹵化物鈣鈦礦材料制成的鈣鈦礦太陽能電池
鈣鈦礦型太陽能電池（PSC）的效率超過20%，只有使用昂貴的有機空穴傳輸材料才能實現。 瑞士洛桑聯邦理工學院M. Ibrahim Dar和Michael Gr?tzel（共同通訊） 等人 證明了PSC使用硫氰酸銅（CuSCN）作為空穴注入層，可實現超過20%的效率。一種快速的溶劑去除方法能夠產生緊湊的、高度保形的CuSCN層，從而促進快速的載體提取和收集。PSC在長期加熱下表現出較高的熱穩定性，盡
化石能源的加速消耗、能源需求的不斷增長以及環境污染的日趨嚴重正在迫使人們去探索和使用清潔的可再生能源。在眾多的可再生能源中，太陽能由于取之不盡、分布廣泛且清潔無污染等優點而廣受關注。在太陽能的利用中，通過半導體材料的光生伏打效應將光能直接轉換成電能的太陽能電池是太陽能利用的重要形式。其中，第三代太陽能電池技術，特別是有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池
開發清潔、可持續的能源以滿足日益增長的能源需求和減少二氧化碳排放是全球面臨的最緊迫的挑戰之一。使用光伏(PV)太陽能電池直接從太陽獲取能量是一種理想的解決方案。到目前為止，鈣鈦礦型太陽能電池(PSC)在過去十年中取得了前所未有的進步，經認證的功率轉換效率(PCE)高達25.5%，這代表著未來光伏器件的一個有前途的方案。金屬鹵化物鈣鈦礦材料具有帶隙可調、吸收系數高、載流子遷移率高、電荷擴散長度長等一
圖4 基于CsPbI3-xBrx鈣鈦礦太陽電池的光伏性能
對于鈣鈦礦薄膜的一系列表征表明，鈣鈦礦薄膜表面的缺陷被鈍化，載流子的平均壽命延長，缺陷態密度明顯降低，表明HA鈍化器件中的電荷轉移增強和電荷復合過程減少。
在鈣鈦礦型太陽能電池中，電子傳輸層對電池起著關鍵作用。與其它同類材料相比，SnO2具有低溫制備、高電子引出能力等獨特的優點，自首次報道以來就受到了研究界的高度重視。基于SnO2的平面型鈣鈦礦型太陽能電池結構簡單，現有的器件可以達到23%以上的功率轉換效率，可以與傳統的介孔TiO2器件相媲美。近年來，SnO2的改性工程對器件性能的提高起到了重要作用。在效率和長期穩定性方面還有很大的潛力需要進一步提高
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