太阳能电池前沿每周精选丨0701-0707

纳米人

2019-07-13

1. Nano Energy：21.66％效率！新型空穴传输材料用于钙钛矿电池

需要开发比常用的Spiro-OMeTAD更有效的空穴传输材料（HTM），用于制造高效稳定的钙钛矿太阳能电池(PSCs)。苏州大学王照奎和Zuo-Quan Jiang团队报道了两种新型的HTM，DCZ-OMeTAD和DCZ-OMeTPA。利用低成本DCZ-OMeTPA,DCZ-OMeTAD分别作为HTM，PSC的效率分别为19.81％和21.66％，明显高于基于Spiro-OMeTAD的器件。与基于Spiro-OMeTAD的器件相比，基于DCZ-OMeTAD的器件表现出最佳的稳定性。该研究表明通过用DCZ替代(Spiro的新设计概念具有开发用于高性能PSC的有效HTM的潜力。

Ma, X.-J. et al. Planar starburst hole-transporting materials for highly efficient perovskite solar cells. Nano Energy, 103865, 2019

Doi:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103865.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519305658

2. 徐保民Nano Energy：超过20%效率！高效稳定的倒置钙钛矿电池

有机金属卤化物钙钛矿薄膜的表面缺陷和晶界缺陷对钙钛矿太阳能电池（PSC）的效率和稳定性都是不利的。此外，空穴传输层（HTL）的导电性，功函数和表面形态也可显著影响PSC的性能。南方科技大学的徐保民团队首先开发了一种新的协同策略，使用多功能EMIC（1-乙基-3-甲基咪唑氯化物）离子液体修饰PEDOT：PSS HTL，从而使得HTL导电性高、功函数低、表面光滑。此外，开发了一种替代昂贵的PCBM的新型S-乙酰硫代胆碱氯化物分子，以有效地钝化混合钙钛矿中的负电荷和正电荷离子缺陷。协同策略延长了载流子复合寿命并降低了电荷陷阱密度。此外，还有效地消除了倒置器件的回滞现象。基于此，器件的效率为20.06％，并且在1 cm²器件的效率为18.77％。与PCBM相比，由S-乙酰硫代胆碱氯化物钝化的器件也具有改善的环境稳定性和热稳定性。

Zhou, X. et al. Synergistic effects of multiple functional ionic liquid-treated PEDOT:PSS and less-ion-defects S-acetylthiocholine chloride-passivated perovskite surface enabling stable and hysteresis-free inverted perovskite solar cells with conversion efficiency over 20%. Nano Energy, 103866, 2019

Doi:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103866.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551930566X

3. 苏州大学Nano Energy：效率超过21％，加合相诱导钙钛矿电池的结晶

有机-无机钙钛矿太阳能电池由于具有功率转换效率高，易于制造等优点而备受关注。混合阳离子钙钛矿被认为是钙钛矿太阳能电池最有效的光吸收剂之一，并且器件性能与钙钛矿薄膜的质量密切相关。苏州大学Kaimo Deng和Liang  Li团队系统地研究了混合阳离子钙钛矿前体膜中的加合相对钙钛矿结晶的影响。 通过溶剂工程调整加合物相，优化了钙钛矿薄膜的形态和光电性能，并且可以实现功效率超过21％的平面型钙钛矿太阳能电池。该工作提供了一种控制混合阳离子钙钛矿薄膜生长的有效方法，从而提高了器件性能，同时提高了效率和稳定性。

Ma, X.-J. et al. Planar starburst hole-transporting materials for highly efficient perovskite solar cells. Nano Energy, 103865, 2019

Doi:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103865.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519305671#!

4. 南昌大学AFM：19.31％效率！防水EVA用于柔性钙钛矿电池及模组

钙钛矿太阳能电池（PVSC）是用于实现具有突出的功率转换效率（PCE）和低成本特性的电源的有前景的光伏技术。然而，只有在开发出极其稳定的器件结构时才能使非凡的光伏性能最大化。南昌大学陈义旺和LichengTan等人引入了一种新型的EVA界面层，以制造具有优异防水性和柔韧性的高效稳定的PVSC。这种策略可以有效地钝化钙钛矿表面、降低缺陷密度、并平衡电荷转移。基于此， 0.1 cm²器件的最高效率为19.31％，25 cm²模组为11.73％。EVA阻止了水分渗透，提高器件的防水性，从而有助于改善PVSC的稳定性。经EVA处理的P柔性器件（0.1 cm²）的效率为15.12％，柔性模组（25 cm²）的效率为8.95％，并且在5000次弯曲循环后，仍保留超过85％初始效率。

Huang, Z., Hu, X., Liu, C., Meng, X., Huang, Z., Yang, J., Duan, X., Long, J., Zhao, Z., Tan, L., Song, Y., Chen, Y., Water‐Resistant and Flexible Perovskite Solar Cells via a Glued Interfacial Layer. Adv. Funct. Mater. 2019, 1902629.

https://doi.org/10.1002/adfm.201902629

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201902629

5. MIT最新Nature：并四苯中的单线态激子裂变增加硅的敏化

硅主导了当代太阳能电池技术。但是当吸收光子时，硅（像其他半导体一样）会浪费超过其带隙的能量。通过使用单线态激子裂变使硅太阳能电池敏化，可以减少这些热化损失并实现对光的更好的灵敏度，其中从具有单线自旋特性的更高能量的光激发态产生具有三重自旋特性（三重态激子）的两个激发态（单线激子）。已知分子半导体并四苯中的单线态激子裂变产生三能级激子，其在能带上与硅带隙相匹配。当三重态激子转移到硅时，它们会产生额外的电子-空穴对，有望将电池效率从单结限制提高29％到高达35％。麻省理工学院Marc A. Baldo团队将硅太阳能电池表面的氧化铪保护层的厚度减小到仅仅8埃，使用电场效应钝化来实现在并四苯中形成的三重态激子的有效能量转移。并四苯的裂变和向硅转移的能量的最大总产率约为133％，这确定了单线态激子裂变的潜力，以提高硅太阳能电池的效率并降低它们产生的能量成本。

Einzinger, M. et al. Sensitization of silicon by singlet exciton fission in tetracene. Nature 571, 90-94, 2019

Doi:10.1038/s41586-019-1339-4 (2019).

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1339-4

6. Nature Commun.：记录效率超过10%！大面积柔性CZTSSe薄膜电池最高值

对于进入市场的铜锌锡硫化物/硒化物（CZTSSe）太阳能电池，除了提高效率外，生产具有均匀性能的柔性和大面积模块的技术能力是必要的。韩国的大邱庆北科学技术院的Jin-Kyu Kang和Kee-Jeong Yang报道了认证的柔性CZTSSe太阳能电池。0.5 cm²的电池面积的效率大于10％，2 cm²的面积的效率大于8％。通过设计薄且多层的前体结构，控制缺陷和缺陷簇的形成，特别是锡相关的施主缺陷，并且提高了开路电压。使用统计分析，验证了电池间和电池内均匀性特征得到了改善。该研究报告了迄今为止具有小面积和大面积的柔性CZTSSe太阳能电池的最高效率。该研究还提供了提高效率和扩大电池面积的方法。

Yang, K.-J. et al. Flexible Cu₂ZnSn(S,Se)₄ solar cells with over 10% efficiency and methods of enlarging the cell area. Nat. Commun. 10, 2959,

Doi:10.1038/s41467-019-10890-x (2019).

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10890-x

7. Joule：半透明的一大步，25 cm²！效率超过10%的柔性钙钛矿电池

轻巧且机械灵活的光伏器件可实现卷对卷处理，从而提高其低成本大规模生产的潜力。然而，相对于在刚性基底上制备的太阳能电池，缺乏高导电性和透明的柔性电极仍导致效率降低。化学所的宋延林，南昌大学的陈义旺和西安交通大学的Wei Ma团队开发了一种电极来提高钙钛矿太阳能电池的性能，即通过使用含氟表面活性剂掺杂剂调节导电聚合物网络的相分离。该网络电极具有高导电率（> 4,000 S/cm）、改善的透射率（从400到900 nm的80％以上）和高机械耐久性。基于该电极的PSC在0.1 cm²和25 cm²的面积下，分别实现19.0％和10.9％的效率，这与刚性基底的效率相当。该电极进一步显示出作为半透明PSC中的顶部电极的前景，其在30.6％的平均可见光透射率下显示出12.5％的稳定效率。病都表现出较强的机械稳定性。在曲率半径为3 mm的5,000次弯曲循环之后，25 cm²的器件保持80％，0.1cm²的器件保持85％，半透明器件仍保持90％的初始效率。

A Mechanically Robust Conducting Polymer Network Electrode for Efficient Flexible Perovskite Solar Cells

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119302995

8. 宋延林&邢贵川AM：17.39%记录效率！低维钙钛矿电池

低维Ruddlesden-Popper（LDRP）钙钛矿是太阳能研究的当前研究热点，因为研究人员试图从中制造稳定的光伏器件。然而，较差的激子解离和不充分快速的电荷转移减慢了器件中的电荷提取，导致性能较差。宋延林联合邢贵川团队采用1,4-丁二胺（BEA）制备的低维钙钛矿，提高电荷的提取效率。研究表明，这些层状钙钛矿是通过层间空间（B-ACI）中的二铵（BEA²⁺）和单铵（MA ⁺）阳离子的交替排序形成的，具有式（BEA）_0.5MA_nPb_nI_3n+1。与典型的LDRP对应物相比，这些B-ACI钙钛矿具有更宽的光吸收窗口和更低的激子结合能，具有更稳定的层状钙钛矿结构。此外，超快瞬态吸收表明B-ACI钙钛矿表现出窄的量子阱宽度分布，产生无障碍和平衡的载流子传输路径，增强的载流子扩散（电子和空穴）长度超过350 nm。结合BEA配体的钙钛矿太阳能电池对于（BEA）_0.5MA₃Pb₃I₁₀实现了14.86％的记录效率，对于（BEA）0_.5Cs_0.15（FA_0.83MA_0.17）_2.85Pb₃（I_0.83Br_0.17）₁₀实现了17.39％的记录效率，且无回滞。此外，在储存2400 h后，三阳离子B-ACI器件可以保持其初始效率的90％以上，并且在光照下超过500h没有明显地降解。

Li, P., Liang, C., Liu, X.‐L., Li, F., Zhang, Y., Liu, X.‐T., Gu, H., Hu, X., Xing, G., Tao, X., Song, Y., Low‐Dimensional Perovskites with Diammonium and Monoammonium Alternant Cations for High‐Performance Photovoltaics. Adv. Mater. 2019, 1901966.

https://doi.org/10.1002/adma.201901966

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901966

9. 意大利ACS Energy Lett.：超过100 cm2，15.3%效率的钙钛矿模组

罗马第二大学 Aldo Di Carlo和意大利理工学院Francesco Bonaccorso团队通过n-i-p结构的界面工程证明了二维（2D）材料，即石墨烯和功能化MoS₂在钙钛矿太阳能电池（PSC）中的应用。与标准器件相比，2D材料的使用具有双重作用，以改善PSC的稳定性和效率。二维材料的应用成功地扩展到大面积钙钛矿太阳能电池组件（PSM），在108 cm²和82 cm²的有效面积上分别达到13.4％和15.3％的效率。此外，基于2D材料的PSM在65°C（ISOS-D2）的长时间（>1000 h）热应力测试下显示出稳定性，这代表了钙钛矿光伏技术迈出了重要一步。

Agresti, A. et al. Two-dimensional (2D) Material Interface Engineering for Efficient Perovskite Large-area Modules. ACS Energy Letters, 2019

Doi:10.1021/acsenergylett.9b01151.

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b01151

10.  ACS Energy Lett.：1D/3D结构，助力高效稳定钙钛矿电池

西安交通大学杨冠军和美国西北大学 Mercouri G. Kanatzidis团队通过使用宽带隙1D碘化铅钙钛矿结构的外延层来解决稳定性的问题。基于短的有机阳离子即噻唑铵（TA），形成的1D覆盖层用于钝化三维（3D）钙钛矿薄膜，促进电荷传输，改善载流子寿命，并防止3D（MA，FA）PbI₃薄膜的碘离子迁移。相比基于3D的器件，1D-3D器件实现了较高的效率和更好的环境稳定性，获得了18.97％的效率，同时在环境条件下在空气中两个月，保持92％的初始效率。结果表明，利用1D钙钛矿可以有效地改善3D钙钛矿太阳能电池器件性能。

Gao, L. et al. Improved Environmental Stability and Solar Cell Efficiency of (MA,FA)PbI3 Perovskite Using a Wide Bandgap 1D Thiazolium Lead Iodide Capping Layer Strategy. ACS Energy Letters, 2019

Doi:10.1021/acsenergylett.9b00930.

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b00930

11. 黄劲松AM：升高的器件温度和过量载流子对钙钛矿太阳能电池快速光诱导降解

随着功率转换效率现在达到24.2％，限制使用钙钛矿太阳能电池（PSC）的高效发电的主要因素是它们的长期稳定性。特别是，PSC已经证明在光照下快速降解，其驱动机制尚待理解。近日，北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松研究团队的研究结果表明，由于恒定照射，升高的器件温度与过量的电荷载流子相结合是在照射下封装的钙钛矿太阳能电池快速降解的主要力量。将器件冷却至20°C并在最大功率点下工作，与在60°C的开路条件下工作相比，CH₃NH₃PbI₃太阳能电池的稳定性提高了100倍以上。在CH₃NH₃PbI₃中也观察到源自光热诱导的扩增的光诱导的应变，其排除了其他光诱导应变机制。然而，在照射下CH₃NH₃PbI₃太阳能电池的初始快速降解中，应变和电场似乎不起任何作用。结果表明，升高的温度和过量的电荷载体促进PSC中额外的重组中心的形成最终导致快速的光诱导降解。还给出了测量PSC稳定性的最佳方法指南。

Chen, B. Huang, J. et al. Synergistic Effect of Elevated Device Temperature and Excess Charge Carriers on the Rapid Light‐Induced Degradation of Perovskite Solar Cells. AM 2019.

DOI:10.1002/adma.201902413

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201902413

12. Michael Grätzel最新Nature Commun.：铵盐的原子级钝化助力高效钙钛矿太阳能电池

近年来，高转换效率使金属卤化物钙钛矿太阳能电池成为薄膜光伏技术的真正突破。近日，洛桑联邦理工学院Michael Grätzel、Lyndon Emsley以及Fabrizio Giordano通过用不同类型的铵盐（即乙基铵，咪唑鎓和碘化胍）处理钙钛矿表面，降低钙钛矿薄膜和空穴传输层之间界面处存在的电子缺陷。研究人员使用三阳离子钙钛矿，主要含有甲脒和少量的铯和甲基铵。研究发现，这种处理将功率转换效率从对照组的20.5％提高到分别用乙基铵，咪唑鎓和碘化胍处理的器件的22.3％，22.1％和21.0％。性能最佳的器件在全日照强度下的效率损失仅为5％，最大功率跟踪为550小时。

Alharbi, E. A. Emsley, L. Giordano, F. Grätzel, M. et al. Atomic-level passivation mechanism of ammonium salts enabling highly efficient perovskite solar cells. Nat. Commun. 2019.

DOI:10.1038/s41467-019-10985-5

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10985-5.pdf