鈣鈦礦太陽能電池
關注創建者：YANGCY 創建時間：2018-11-13
鈣鈦礦太陽能電池的實例教程
鈣鈦礦膜的GIWAXS圖和表征
a, b.兩種鈣鈦礦膜（a:w/o PTQ10；b:w/PTQ10）的二維GIWAXS圖
c.兩種鈣鈦礦膜的極像圖
d.表面涂覆PTQ10的鈣鈦礦膜的晶體的取向
圖3. 光伏性能和光致發光性能
a.鈣鈦礦和界面層的能級
b.鈣鈦礦太陽能電池在AM1.5G的光照下的電流密度-電壓曲線
c.含有PTQ10的鈣鈦礦太陽能電池的外量子效率光譜圖
d.穩態能量裝換效率
e,f.兩種鈣鈦礦膜的穩態光致發光光譜圖（e）和時間分辨光致發光光譜圖（f）
圖4. 瞬態光電壓和瞬態光電流
a.三種鈣鈦礦太陽能電池的瞬態光電壓
b.三種鈣鈦礦太陽能電池的瞬態光電流
圖5. 鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和EDX譜圖
a.室溫、相對濕度為40%、無封裝的條件下的環境穩定性
b.在85°C的氮氣箱中的熱穩定性
c.老化后的基準器件的Ag、I、Pb三種元素的EDX線掃描
d.老化后的含有PTQ10的鈣鈦礦太陽能電池的Ag、I、Pb三種元素的EDX線掃描
【小結】
作者在平面n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池中引入了PTQ10作為雙功能界面層。它具有深能級，和基于FA的鈣鈦礦的價帶形成良好的能級匹配，促進空穴的提取。保護陽離子的相轉化技術也阻止鈣鈦礦表面的陽離子在退火過程中逃逸，確保鈣鈦礦的化學當量平衡。鈣鈦礦晶體有最佳的取向，導致鈣鈦礦太陽能電池的最佳能量轉換效率為21.2%。同時，它的熱穩定性非常出色。
展開 導讀
近日，日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）的研究人員采用一種穩定、高效且相對便宜的鈣鈦礦材料開發出新型太陽能電池。
背景
太陽能，是頗具代表性的新能源之一。其優勢包括：清潔、可再生、無污染、易獲取等等。為了將太陽光的能量直接轉化為電能，我們通常要借助一種設備：太陽能電池。如今，太陽能電池在我們的身邊到處可見，例如：窗戶、墻壁、汽車、智能手機、平板電腦等物品中都會見到太陽能電池的身影。
（圖片來源：維基百科）
迄今為止，大多數的太陽能電池都是由硅制成，因為這種材料非常善于吸收光線。可是，硅面板的制造成本卻很昂貴。
科學家們一直都在研究由鈣鈦礦組成的結構，使之成為硅的替代品。真正的鈣鈦礦，是一種存在于地球中的礦物，它由鈣、鈦、氧分子經過特殊排列而成。具有相同晶體結構的材料稱為鈣鈦礦結構。
相比于共棱、共面形式連接的結構，鈣鈦礦結構顯得更加穩定，更有利于缺陷的擴散遷移。因此，鈣鈦礦具備了許多優異的物理化學特性，例如電催化性、吸光性等。
（圖片來源：維基百科）
鈣鈦礦結構非常適合作為太陽能電池吸收光線的活性層，因為它們吸收光線的效率比硅更高，且成本更低廉。將鈣鈦礦結構集成到太陽能電池中，需要采用的設備也相對簡單。例如，它們可以溶解到溶劑中，直接噴涂到基底上面。
由鈣鈦礦結構組成的材料有望為太陽能電池設備帶來一場革命，但是卻具有一個嚴重的缺陷：它們通常很不穩定，在高溫條件下性能會退化。這嚴重阻礙了它們的商用。
創新
日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）能量材料與表面科學單位的研究人員，由Yabing Qi 教授領導，采用一種穩定、高效且相對便宜的鈣鈦礦材料開發出太陽能電池，同時也為這種鈣鈦礦材料未來在太陽能電池中的應用鋪平了道路。
展開 要點二：透明電極表面凸起的微結構促進了鈣鈦礦的均勻結晶，并優化了光生載流子的提取與傳輸。
凸起的銀網格結構在鈣鈦礦前驅體溶液結晶過程中起到了限域作用，從而促進了鈣鈦礦晶體的均勻生長。同時，有序的銀網格結構形成了定域化的載流子傳輸通道，從而優化了光生載流子的提取與傳輸。
圖2：a) 鈣鈦礦在柔性電極表面結晶的示意圖；b) 鈣鈦礦薄膜的表面掃面電子顯微鏡圖片；c,d) 掠入射廣角X射線散射（GIWAX）圖樣；e) 紫外可見吸收與穩態熒光光譜；f,g）瞬態熒光衰減光譜。
要點三：半包埋銀網格電極有助于提升柔性太陽能電池中的光電轉化效率與電荷傳輸效率。
由于柔性銀網格的低方阻、高透光等特點，基于該透明電極的柔性鈣鈦礦太陽能電池器件效率（18.49%）明顯高于基于傳統ITO/PET電極的器件（15.11%），并表現出更優的電荷傳輸性能。
圖3：a) 太陽能電池的器件結構；b) J-V曲線；c) 外量子效率；d) AM 1.5 光照下穩態電流與效率；e,f) 不同光強下的Voc與Jsc；g)SCLC 曲線；h)暗態J-V曲線；i)電化學阻抗譜。
本文采用的氣泡模板自組裝制備柔性透明銀網格的方法，克服了傳統自上而下方法帶來的銀致密性不足與銀墨水浪費等問題，為柔性鈣鈦礦太陽能電池的開發提供了新的思路。
展開 目前，可穿戴電子設備的電源主要為鋰離子電池，其固有特性一定程度上限制了可穿戴電子的戶外使用性、安全性和人體皮膚貼合性。
近年來，金屬有機雜化鈣鈦礦太陽能電池以其優越的光電轉換性能受到廣泛關注，為其作為電源應用于可穿戴電子設備提供了可能。然而到目前為止，柔性鈣鈦礦太陽能電池尚未能實際應用于可穿戴電子設備中。其重要原因之一是鈣鈦礦材料本身的易脆性，導致大面積電池效率重現性差和無法適合復雜的人體動作。
在科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的大力支持下，中科院化學研究所綠色印刷重點實驗室研究員宋延林課題組科研人員近年來在印刷制備鈣鈦礦晶體及電池器件方面開展了研究。他們在印刷制備鈣鈦礦材料方面取得進展，實現了相比傳統工藝更環保的噴墨打印制備(J. Mater. Chem. A 2015,3, 9092-9097)；通過控制打印過程實現了鈣鈦礦單晶材料的可控生長(Sci.Adv.,2018,4,eaat2390;Small,2017,13,1603217)。基于電池器件圖案化設計也取得系列進展(Adv. Mater. 2018,30,1804454; Adv.Energy Mater., 2018,8,1702960.; Nano Energy, 2018,46:203-211; NanoEnergy, 2018,51:556-562)，并通過納米組裝-印刷方式制備蜂巢狀納米支架作為力學緩沖層和光學諧振腔，從而顯著提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和力學穩定性(Adv.Mater.2017,29,1703236)。
在上述研究的基礎上，他們受自然界中珍珠質結晶機理及結構的啟發，引入兩親性彈性結晶基質到鈣鈦礦前驅體溶液中，以解決鈣鈦礦晶體薄膜的脆性問題。
展開 導讀
近日，英國劍橋大學領導的國際科研團隊發現，采用簡單的鉀溶液可以提高新一代太陽能電池的光電轉換效率，將更多的陽光轉化為電力。
背景
鈣鈦礦（Perovskite），是一類有著與鈦酸鈣（CaTiO3）相同晶體結構的材料。對于這種材料的具體結構，筆者之前的文章中多次介紹，這里就不贅述了。
（圖片來源：維基百科）
相比以共棱、共面形式連接的結構，鈣鈦礦結構更加穩定，有利于缺陷的擴散遷移。因此，鈣鈦礦也具備了許多異乎尋常的物理化學特性，例如電催化性、吸光性等等。
鈣鈦礦材料的應用前景非常廣，例如光通信、數據存儲、太赫茲通信、太陽能電池領域。目前，備受關注和追捧的要屬鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池投入市場以及大規模應用指日可待，并有望引領未來太陽能電池市場的新走向。
韓國蔚山國立科技研究所（UNIST）發明的鈣鈦礦太陽能電池
（圖片來源：UNIST）
阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）采用鈣鈦礦納米晶體進行照明和數據通信
（圖片來源：KAUST）
瑞士洛桑聯邦理工學院采用鈣鈦礦材料進行數據存儲
（圖片來源：László Forró/瑞士洛桑聯邦理工學院 ）
雖然鈣鈦礦的發展潛力巨大，但是仍有一些因素阻礙了其效率和一致性。鈣鈦礦晶體結構中的小缺陷，也稱為“陷阱（traps）”，將引起電子在其能量能被利用之前產生“遲滯效應”。電子在太陽能電池材料中運動得越方便，材料將光子（光的粒子）轉化電力的效率就會越高。另外一個問題，就是在遭到光線照射時，離子會在太陽能電池中移動，從而引起能帶隙（bandgap）的變化，即材料吸收的光線顏色會發生變化。
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鈣鈦礦太陽能電池仿真，半導體模塊不會設置，需要出p-v J-V曲線圖，還請大神們指點一二
在光電子技術迅猛發展的今天，鈣鈦礦基發光二極管（PeLED）以其獨特的材料優勢和廣泛的應用前景，成為學術界和產業界關注的焦點。這類器件不僅具備可調帶隙、高色純度和低溫制備兼容性等突出特性，在近紅外（NIR）光發射領域更展現出巨大潛力。然而，光提取效率（LEE）受限一直是制約PeLED性能提升的關鍵瓶頸。近期，一項發表于《Scientific Reports》的研究通過創新的層厚度優化策略與活性層吸收調控技術
根據韓媒Kukinews報道，鹵素（鹵化物）鈣鈦礦材料，作為太陽能電池、光檢測器及LED等前沿光電組件的理想選擇，不僅在縮短生產周期和降低成本方面展現出巨大潛力，更以其卓越的色純度脫穎而出，成為唯一能夠完全契合“Rec.2020”這一高標準顯示屏色彩坐標基準的物質。
未來再通過鈣鈦礦電池結合疊層技術，可制成鈣鈦礦、鈣鈦礦疊層太陽能電池。
今天我們通過對鈣鈦礦太陽能電池中的熱量分布進行擴展的三維(3-D)模擬。具體通過COMSOL Multiphysics光-電-熱耦合模塊研究了傳統鈣鈦礦太陽能電池中的溫度分布。在COMSOL Multiphysics波動光學模塊、半導體模塊和固體傳熱模塊的三維向導中進行仿真。
02
建模與仿真
1.
此外，從全球范圍的碳中和（Carbon Neutral）趨勢來看，可再生能源、能量采集 (Energy Harvesting，※注1)頗受人們關注，預計有機薄膜太陽能電池和鈣鈦礦（Perovskite）太陽能電池的需求有望增長。
用于以上場景的有機元件和化合物都對水分十分敏感，因此需要密封保護。
結合以上系列研究思路和器件設計，通過采用更厚的窄帶隙吸光層，成功將全鈣鈦礦疊層電池的短路電流密度提升到16.5 mA/cm2以上，實現了更高效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，實驗室自測效率從25.6%提高到26.7%，同時研制出效率高達25.3%的大面積疊層電池（如圖2所示）。
圖2. 全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光伏性能。
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，由金屬鹵化物鈣鈦礦材料制成的鈣鈦礦太陽能電池，可能成本更低、更高效。現在，鈣鈦礦型太陽能電池在效率方面，可與更成熟的硅基太陽能電池相媲美。關鍵挑戰在于，這種電池存在化學不穩定性。鈣鈦礦材料對水分、氧氣甚至光線都非常敏感，在空氣中會迅速降解。
一種甲脒鈣鈦礦（formamidinium perovskite）材料有助于解決這一問題。
