太阳能电池前沿每周精选丨0715-0721

纳米人

2019-07-24

1. ACS Energy Lett.：20.82%效率！富含铯钙钛矿量子点稳定FAPbI₃钙钛矿

通常通过将铯（Cs）掺入晶体结构中来改善甲脒碘化铅钙钛矿（FAPbI₃）的稳定性。 然而，这种方法的有效性受到Cs在本体FAPbI3中固有的低固溶度的限制。西安交通大学Wenxiu Que和布朗大学Nitin P. Padture, Yuanyuan Zhou和 Ou Chen团队展示了一种方法，该方法需要将高Cs含量的Cs_1-xFA_xPbI₃合金量子点（QD）溶液沉积到Cs含量少的 FAPbI₃薄膜上。富含Cs的QD表面层的薄膜，其使FAPbI₃薄膜的环境稳定性提高。效率可达20.82%。

Que, M., Dai, Z. et al. Quantum-Dot-Induced Cesium-Rich Surface Imparts Enhanced Stability to Formamidinium Lead Iodide Perovskite Solar Cells. ACS Energy Letters, 2019

Doi:10.1021/acsenergylett.9b01262 (2019).

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b01262

2. ACS Energy Lett.：电流超过33 mA cm^-2！20.4%效率的锡铅钙钛矿太阳能电池

基于锡铅（Sn-Pb）的钙钛矿太阳能电池（PSC）由于高电压损失（VL）和红外区域中的高光电流损耗，仍然表现出比纯Pb对应物更低的效率（PCE）。东京大学Gaurav Kapil和九州工业大学Shuzi Hayase团队探讨了在钙钛矿Sn-Pb晶格中掺入少量的铯离子（Cs⁺）可以降低相对晶格应变，从而降低VL小于0.50 V，表面和体积陷阱密度也得到了降低。发现少量的Cs⁺降低了Urbach能量，这可以用作优化多阳离子钙钛矿材料的光电子和光伏特性的标志。该研究进一步证明，使用FTO可以获得高的外部量子效率（在900nm处约80％）。该工作采用的策略将开路电压提高到0.81 V，光电流密度为30 mA/cm²，PCE为20.4％，带隙为1.27 eV的高效率的锡铅钙钛矿太阳能电池。

Kapil, G., Bessho, T. et al. Strain relaxation and light management in tin-lead perovskite solar cells to achieve high efficiencies. ACS Energy Letters, 2019

Doi:10.1021/acsenergylett.9b01237 (2019).

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b01237

3. KAUST&南京大学AFM：14％效率的有机太阳能电池

非富勒烯受体（NFA）的分子取向和π-π堆积决定了其与聚合物供体的本体异质结共混物中的域尺寸和纯度。南京大学Weihua Tang和阿卜杜拉国王科技大学Derya Baran团队设计了两种新型NFA，并分别表示为m-INPOIC或p-INPOIC。通过与带有对烷基苯基侧链的对应物（INPIC-4F）的比较研究，揭示了烷氧基定位对NFA的分子取向和光伏性能的影响。随着向共轭骨架的向内收缩，m-INPOIC呈现出主要的正面取向以促进电荷传输。通过将m-INPOIC和PBDB-T混合作为活性层的有机太阳能电池（OSC）表现出12.1％的效率。通过引入PC71BM作为固体加工助剂，三元OSC进一步优化，以提供14.0％效率，这是迄今为止文献中报道的单结OSC中最高的效率。PBDB-T：m-INPOIC：基于PC71BM的OSC表现出超过11％效率，即使有效层厚度超过300 nm。

Molecular Orientation Unified Nonfullerene Acceptor Enabling 14% Efficiency As‐Cast Organic Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2019, 1903269. https://doi.org/10.1002/adfm.201903269

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201903269

4. 京都大学Acc. Chem. Res.：富勒烯衍生物的异构体对有机光伏和钙钛矿太阳能电池影响

富勒烯衍生物已被用作OPV和PSC中的电子受体和电子传输材料。然而，如果是多加合物或甚至由具有低对称性的富勒烯产生的单加合物，则需要注意它们的异构体。其不均匀结构和电子特性可能对光伏特性产生负面影响。然而，OPV和PSC领域的大多数研究人员都没有意识到异构现象的重要性。甚至最普遍的高性能富勒烯受体PC71BM也已用作异构体混合物。京都大学Tomokazu Umeyama和Hiroshi Imahori总结了最近关于富勒烯衍生物的异构体分离对OPV和PSC的器件性能的影响的研究。很大程度上，含有各种异构体的富勒烯衍生物分为[60]富勒烯双加合物，[70]富勒烯双加合物和[70]富勒烯单加合物。在所有情况下，发现异构现象的差异对PCE有很大影响。与聚合物供体的混溶性和富勒烯衍生物的成膜性质受到异构体分离的影响，其对器件性能产生最有效的影响。虽然异构体中能级的紊乱并未明确影响异构体混合物的光伏特性，但富勒烯衍生物的分子堆积结构对其光伏特性产生显着影响。值得注意的是，异构纯的富勒烯衍生物通常表现出比异构体混合物更高的PCE。寻找富勒烯衍生物的最佳异构体及其最佳组成比，这在很大程度上取决于它们的作用和组合材料，将是实现OPV和PSC始终如一的更高器件性能不可或缺的一步。

Umeyama, T. & Imahori, H. Isomer Effects of Fullerene Derivatives on Organic Photovoltaics and Perovskite Solar Cells. Acc. Chem. Res., 2019

Doi:10.1021/acs.accounts.9b00159 (2019).

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.9b00159

5. Kanatzidis最新JACS：有芳香族化合物的二维D-J混合铅钙钛矿

Mercouri G. Kanatzidis团队提出了新的2D Dion-Jacobson卤化钙钛矿系列，采用通用的A'A_n-1Pb_nI_3n+1（A'= 4-（氨基甲基）吡啶鎓（4AMPY），A =甲基铵（MA），n = 1-4）。通过将CH₂NH₃⁺基团的位置从4AMPY改变为3AMPY（3AMPY = 3-（氨基甲基）吡啶鎓），无机层的堆积从精确的重叠变为略微偏移。两个系列之间的钙钛矿八面体倾斜也不同，3AMPY系列显示出比4AMPY系列更小的带隙。与相同尺寸的脂肪族阳离子（AMP =（氨基甲基）哌啶鎓）相比，芳香族间隔物增加了阳离子的刚性，减少了层间距，减少了无机层与有机间隔物之间的介电失配，显示出间接但强大的有机阳离子对结构的影响，从而影响钙钛矿材料的光学性能。所有A'A_n-1Pb_nI_{3n +1}化合物在室温下都表现出强光致发光（PL）。基于n = 4钙钛矿作为两个系列的吸收体的初步太阳能电池器件表现出有希望的性能，基于（3AMPY）（MA）₃Pb₄I₁₃的器件的冠军功率转换效率（PCE）为9.20％，高于（4AMPY） ）（MA）₃Pb₄I1₃和相应的脂肪族类似物（3AMP）（MA）₃Pb₄I₁₃基。

Li, X. et al. Two-dimensional Dion-Jacobson Hybrid Lead Iodide Perovskites with Aromatic Diammonium Cations. J. Am. Chem. Soc.,

doi:10.1021/jacs.9b06398 (2019).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b06398

6. 廖良生&杨阳Nano Lett.：溴化铜提高CsPbI₂Br钙钛矿电池性能

廖良生和杨阳团队通过将溴化铜（II）（CuBr₂）直接掺杂到钙钛矿前体中来辅助CsPbI2Br结晶。CuBr₂的掺入CsPbI2Br薄膜具有增大的晶粒尺寸，改善的载流子能力和减少的陷阱状态。制造的钙钛矿太阳能电池效率为16.15％。开发的掺杂方法为制备高性能全无机钙钛矿太阳能电池铺平了道路。

Wang, K.-l. et al. Tailored Phase Transformation of CsPbI2Br Films by Copper (II) Bromide for High-Performance All-Inorganic Perovskite Solar Cells. Nano Lett., 2019

Doi:10.1021/acs.nanolett.9b01553 (2019).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b01553

7. 唐卫华&鄢炎发AFM：21.04%效率！小分子无掺杂空穴传输层用于钙钛矿电池

不含掺杂剂的空穴传输材料（HTM）对于钙钛矿太阳能电池（PSC）的商业化至关重要。然而，具有小分子无掺杂剂HTM的现有技术PSC的效率（PCE）低于20％。南京理工大学唐卫华和美国托莱多大学鄢炎发团队报道了一种DTP-C6Th小分子， 作为无掺杂剂的HTM。与常用的spiro-OMeTAD相比，DTP-C6Th表现出相似的能级，更好的空穴迁移率为4.18×10^-4 cm² V^-1s^-1，更有效的空穴提取，使得有效且稳定的PSC。通过添加PMMA钝化层,获得了21.04％的最高效率，这是迄今为止基于小分子无掺杂剂的HTM的PSC的最高值。器件稳定性也得到了改善。

Yin, X., Zhou, J., Song, Z., Dong, Z., Bao, Q., Shrestha, N., Bista, S. S., Ellingson, R. J., Yan, Y., Tang, W., Dithieno[3,2‐b:2′,3′‐d]pyrrol‐Cored Hole Transport Material Enabling Over 21% Efficiency Dopant‐Free Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2019, 1904300.

https://doi.org/10.1002/adfm.201904300

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201904300

8. 化学所侯剑辉AM：接近记录！16.2%效率的三元聚合物太阳能电池

最近在非富勒烯受体（NFA）的材料设计和合成方面取得的进展揭示了聚合物太阳能电池（PSC）的新前景，并将效率（PCE）提高到15％以上。化学所侯剑辉和Huifeng Yao团队通过将富勒烯衍生物PC₆₁BM掺入聚合物供体（PBDB-TF）和稠环NFA（Y6）的共混物中，制备三元PSC。并获得16.5％高效率（认证为16.2％）。研究表明，将PC₆₁BM掺到PBDB-TF：Y6混合物中不仅可以提高电子迁移率，还可以提高电致发光量子效率，同时实现平衡电荷传输和减少非辐射能量损失。该研究表明，利用富勒烯和NFA的互补优势是一种有前途的方法，可以精细调整详细的光伏参数，进一步改善器件性能。

Yu, R., Yao, H., Cui, Y., Hong, L., He, C., Hou, J., Improved Charge Transport and Reduced Nonradiative Energy Loss Enable Over 16% Efficiency in Ternary Polymer Solar Cells. Adv. Mater. 2019, 1902302.

https://doi.org/10.1002/adma.201902302

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902302

9. AM：效率超过10％！无PEDOT和 ITO透明电极的柔性有机太阳能电池

韩国科学技术院Jung‐Yong Lee团队提出了一种制造柔性有机太阳能电池的新方法，其中不使用ITO和PEDOT：PSS，使用无结金属纳米网络（NN）作为透明电极。使用纳米级掩模单片蚀刻金属NN，并且其表现出优异的光电性能。此外，NN的光电特性可以通过初始金属层厚度和NN密度来控制。因此，对于极薄的银层，网络的适当密度控制可导致高透射率和低薄层电阻。这种NN可用于薄膜器件而不用PEDOT：PSS等导电材料进行平面化。在不含PEDOT且不含ITO的透明电极上制造高效柔性有机太阳能电池，其效率（PCE）为10.6％，器件产率高（93.8％）。此外，即使经过3000次弯曲应力测试（应变：3.13％），柔性太阳能电池仍保留了初始PCE的94.3％。

Seo, K.‐W., Lee, J., Jo, J., Cho, C., Lee, J.‐Y., Highly Efficient (>10%) Flexible Organic Solar Cells on PEDOT‐Free and ITO‐Free Transparent Electrodes. Adv. Mater. 2019, 1902447.

https://doi.org/10.1002/adma.201902447

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902447

10. 刘生忠AM综述：高效钙钛矿太阳能电池中的金属阳离子：进展与展望

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PVSCs）自2009年第一个原型以来已经彻底改变了光伏发电，到目前为止，最高效率已飙升至24.2％，与商用薄膜电池相当，并且距离单晶硅太阳能电池不远。优化器件性能和提高稳定性一直是PVSC的研究亮点。金属阳离子被引入到钙钛矿中以进一步优化质量，这种策略呈现出蓬勃的发展趋势。刘生忠团队通过关注钙钛矿中阳离子的位置，膜质量的调制以及对光伏性能的影响，讨论了PVSCs金属阳离子的研究进展。根据元素周期表，金属阳离子按碱金属阳离子，碱土金属阳离子，然后是ds和d区域中的金属阳离子，以及最终三价阳离子（p-和f-嵌段金属阳离子）的顺序考虑。最后，总结了这项工作，并讨论了一些相关问题。

Wang, K., Subhani, W. S., Wang, Y. L., Zuo, X. K., Wang, H., Duan, L. J., Liu, S. Z., Metal Cations in Efficient Perovskite Solar Cells: Progress and Perspective. Adv. Mater. 2019, 1902037.

https://doi.org/10.1002/adma.201902037

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902037

11. JMCA：高质量无机电荷传输层的助力高效稳定钙钛矿太阳能电池

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSC）遇到长期稳定性的问题，因此，构建完全由无机钙钛矿吸收层和无机电荷传输层（CTL）组成的全层无机PSC吸引了越来越多的关注。要做到这一点，最大的挑战之一在于在钙钛矿顶部沉积有效且稳定的无机CTL。近日，华中科技大学Wei Chen研究团队提出了一种通用策略，即沉积单分散纳米晶，然后进行特殊热处理，以在CsPbI2Br的无机钙钛矿顶部制造高质量的碳化物 - 金属氧化物（C-MOX）CTL。研究人员系统地研究了不同CTL的能级，电导率和化学稳定性对其相应PSC的效率和长期稳定性的影响。研究发现基于C-TiO₂的倒置CsPbI₂Br PSC产生高达14.0％功率转换效率，这主要归因于其最佳的界面能带对准和合适的导电性;除了基于对卤化钙的化学耐受性较低的C-ZnO外，全层无机PSC具有优异的稳定性，在85℃下老化和在45℃下连续光照1000小时后，可以保持> 90％的初始PCE。

Zhang, S. Chen, W. et al. A General Strategy to Prepare High-quality Inorganic Charge-transporting Layers for Efficient and Stable All-layer-inorganic Perovskite Solar Cells. JMCA 2019.

DOI: 10.1039/C9TA05802H

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c9ta05802h

12. JMCA：动态CsBr处理提高CsPbI_3-xBr_x钙钛矿太阳能电池的稳定性

已有研究表明CsPbI_3-xBr_x（x = 1-2）全无机钙钛矿可以克服CsPbI₃的相不稳定性。然而，与CsPbI₃（1.73 eV）相比，Br的添加不可避免地导致带宽太宽（1.93-2.03eV）。为了避免这种情况，韩国中央大学Dong-Won Kang研究团队开发具有较低Br含量稳定的α-CsPbI_3-xBr_x（x <0.7）钙钛矿薄膜。研究人员将CsBr溶液旋涂到CsPbI₃上将Br-结合到CsPbI₃晶格中，极大地增强了所得CsPbI_3-xBr_x（x <0.7）钙钛矿薄膜的形态，光学性质，稳定性和光伏性能。在x = 0.66时，具有1.84eV的相对低带隙的钙钛矿膜实现了14.08％的功率转换效率（PCE），并且在没有封装的氮气氛下储存1,200小时后，PCE保持在初始水平的70％左右。使用动态CsBr处理的这种两步生长可制备具有优异稳定性的无机钙钛矿光伏电池。

Parida, B. Kang, D.-W. et al. Two-step Growth of CsPbI_3-xBr_x Films Employing Dynamic CsBr Treatment: Toward All-inorganic Perovskite Photovoltaics with Enhanced Stability. JMCA 2019.

DOI:10.1039/C9TA05948B

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c9ta05948b