太阳能电池前沿每周精选丨0805-0811

纳米人

2019-08-16

1. 刘生忠&戚亚冰ACS Energy Lett.：钙钛矿太阳能电池和模块

虽然小面积金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）显示PCE高达25.2％，但小面积和大面积PSC器件之间的效率差距仍然很大。刘生忠和戚亚冰团队分享对制造面积超过200 cm²的组件的当前阶段挑战的看法，并总结了最近在缩小效率差距方面取得的进展，强调了进一步研究将钙钛矿光伏技术转向工业规模。

这些策略包括学习其他商业化薄膜光伏技术，分析采用基于溶液和蒸汽的可升级制造技术和优化大面积模块设计的钙钛矿太阳能模块的现状。考虑到成本分析和工作稳定性曲线，基于碳电极的器件具有很大潜力。

Qiu, L., He, S., Ono, L. K., Liu, S. & Qi, Y. Upscalable Fabrication of Metal Halide Perovskite Solar Cells and Modules. ACS Energy Lett., 2019

DOI: 10.1021/acsenergylett.9b01396 (2019)

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b01396

2. 华东师范大学Nano Energy: 抑制离子诱导的降解，制备稳定钙钛矿电池

工作稳定性仍然是延迟钙钛矿太阳能电池（PSC）商业化的首要问题。离子从富碘钙钛矿层扩散到金属电极是不可逆器件退化的一个主要原因。

华东师范大学Junfeng Fang团队在钙钛矿层和钙钛/PCBM界面引入化学交联的TMTA（三羟甲基丙烷三丙烯酸酯），以抑制离子向电极扩散。钙钛矿层中的TMTA抑制离子沿晶界迁移，钙钛矿/PCBM界面处的TMTA阻止离子向电极扩散，这是由于其连续的网络结构和化学惰性。无论是在热，光或电场条件下，TMTA中PSC中的离子扩散都是可以被有效抑制的。在连续照射和60℃，最大功率点跟踪1000 h后，器件保持约80％的初始效率。

Li, X. et al. Suppressing the ions-induced degradation for operationally stable perovskite solar cells. Nano Energy, 103962,

DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.103962 (2019)

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551930669X

3. Nature Energy: 19.9％效率！高效超薄GaAs太阳能电池

传统的光伏器件目前由相对厚的半导体层制成，对于硅为~150 μm，对于CuInGaSe，CdTe或III-V直接带隙半导体为2-4 μm。超薄太阳能电池可以大大节省材料和处理时间。理论模型表明光捕获可以补偿减少的单程吸收，但光学和电学损失极大地限制了其性能。

巴黎萨克莱大学Stéphane Collin提出了一种基于平面有源层中多谐振吸收的策略，、开发了一种205 nm厚的GaAs太阳能电池，其认证效率为19.9％。它使用通过软纳米压印光刻制造的纳米结构银背镜。利用光栅引起的多个重叠共振实现宽带光捕获。对整个太阳能电池架构进行全面的光学和电气分析，为进一步改进提供了途径，并表明25％的效率是是可以实现的。

A 19.9%-efficient ultrathin solar cell based on a 205-nm-thick GaAs absorber and a silver nanostructured back mirror, Nature Energy (2019)

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0434-y

4. N. G. Park最新ACS Energy Lett.: 甲氧基硅烷交联剂提高钙钛矿电池性能

实现具有最小非辐射复合损失的高质量钙钛矿薄膜对于进一步提高钙钛矿太阳能电池（PSC）的功率转换效率（PCE）至关重要。此外，PSC的不稳定性仍然是其大规模商业化的关键挑战。然而，很难实现PCE和稳定性的同时增强。Nam-Gyu Park团队展示了一种有效且可重复的多功能添加剂工程策略，通过将由不同端基官能化的甲氧基硅烷交联剂，中等电子给体-SH，弱电子给体-CH₃和强吸电子-CN分别引入PbI₂前体溶液中，进而沉积钙钛矿。

结果表明，官能团在器件性能中起着至关重要的作用。在引入含有-SH官能团的（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷（MPTS）后，PCE从18.4％（对照组）增加到20.8％，而3-氰基丙基三乙氧基硅烷（CPTS）含有-CN基团会降低整体光伏性能。PbI₂和MPTS之间的路易斯酸碱相互作用控制晶体生长，使得晶粒尺寸增加。此外，发现MPTS中的-SH有效地钝化缺陷，导致更长的载流子寿命。最后，由于交联硅氧烷网络作为晶界的有效保护层的形成，器件的热稳定性和水分稳定性得到明显改善。该研究为多功能添加剂工程提供了指导，以同时实现高PCE和长期稳定性。

Importance of Functional Group in Cross-linking Methoxysilane Additives for High Efficiency and Stable Perovskite Solar Cells, ACS Energy Lett.2019

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b01356

5. M. G. Kanatzidis最新ACS Energy Lett.: Se_1-xTe_x合金用于光伏器件

Mercouri G. Kanatzidis团队报道了一种高带隙光吸收层，硒与同构低带隙半导体碲的合金化。将Se_1-xTe_x的带隙能量调整到光伏吸收层的最佳值。基于晶体Se_1-xTe_x合金的光伏器件是极其廉价且高度可扩展的太阳能电池的有希望的候选者，提供简单的低温制造和内在稳定性。

探索了Se_1-xTe_x合金的电光特性，并表明，由于导带能量的显著非线性变化，碲以非线性方式移动带隙，比预期更快，从而可以轻松达到1.2-1.4 eV的所需带隙。基于这些结果，设计了简单的Se_1-xTe_x光伏器件。与纯硒相比，显示出明显地改善的电流密度。

Non-linear Band Gap Tunability in Selenium Tellurium Alloys and its Utilization in Solar Cells, ACS Energy Lett.2019

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b01619

6. 武汉大学Angew: 最高效率！单组分有机太阳能电池

武汉大学Jie Min开发出了一种新的平衡供体-受体分子，h-PC₇₁BM，其中包含两个共价连接的嵌段，含有基于BDT的p型低聚噻吩部分和n型PC₇₁BM。 由Rh-PC₇₁BM分子制成的单组分有机太阳能电池（SCOSC）的效率为3.22％，开路电压（Voc）为0.98 V。这些结果是基于单分子材料的SCOSC的最效率。 与空白Rh-OH：PC₇₁BM器件相比，单分子Rh-PC₇₁BM装置表现出优异的热稳定性。该单分子策略为开发高性能SCOSC提供一种新方法。

Min, J. , Wang, W. , Sun, R. , Guo, J. and Guo, J. (2019), A New Oligothiophene‐Fullerene Molecule with a Balanced Donor‐Acceptor Backbone toward High‐Performance Single‐Component Organic Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed.. 2019

DOI: 10.1002/anie.201908232

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201908232

7. AM：效率超过16％！环境友好溶剂制备有机光伏电池

非富勒烯受体（NFA）的最新进展使得有机光伏（OPV）电池的效率（PCE）快速增加。然而，使用的高毒性溶剂不适用于大面积加工方法，成为阻碍OPV的大规模生产和商业应用的最大因素之一。因此，在设计高效的OPV材料时，获得良好的环境友好加工性非常重要。

化学所的侯剑辉，葛子义，Huifeng Yao和韩国高丽大学Han Young Woo团队采用环境友好溶剂实现了NFA的高效率和良好的可加工性。与聚合物供体PBDB-TF组合，BTP-4F-12显示最佳PCE为16.4％。重要的是，当聚合物供体PBDB-TF被具有更好溶解性的T1替代时，可以应用各种环境友好溶剂来制造OPV器件。最后，通过刮刀涂布法，用四氢呋喃（THF）作为1.07 cm² OPV电池的处理溶剂，获得超过14％的效率。结果表明，侧链的简单改性可用于调节活性层材料的可加工性，从而使其更适用于使用环境友好溶剂的大规模生产。

Hong, L., Yao, H., Wu, Z., Cui, Y., Zhang, T., Xu, Y., Yu, R., Liao, Q., Gao, B., Xian, K., Woo, H. Y., Ge, Z., Hou, J., Eco‐Compatible Solvent‐Processed Organic Photovoltaic Cells with Over 16% Efficiency. Adv. Mater. 2019, 1903441.

DOI: 10.1002/adma.201903441

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903441

8. 赵一新&Grätzel&戚亚冰Science: 18.4%效率,CsPbI₃基钙钛矿太阳能电池

尽管β-CsPbI₃具有有利于在串联太阳能电池中应用的带隙，但实验上沉积和稳定β-CsPbI₃仍然是一个挑战。赵一新、Michael Grätzel, M. Ibrahim Dar和戚亚冰团队获得了高结晶度的β-CsPbI₃薄膜，具有更广泛的光谱响应和增强的相稳定性。

基于同步加速器的X射线散射揭示了高度取向的β-CsPbI₃晶粒的存在，并且敏感的元素分析-包括电感耦合等离子体质谱法和飞行时间二次离子质谱法 - 证实了它们的全无机组成。通过用碘化胆碱表面处理进一步减轻了钙钛矿层中裂缝和空洞的影响，这增加了电荷载流子寿命并改善了β-CsPbI₃吸收层和载流子选择性接触之间的能级对准。 由处理过的材料制成的钙钛矿太阳能电池具有高度可重复性和稳定的效率，在45±5℃的环境条件下达到18.4％。

Thermodynamically stabilized β-CsPbI3–based perovskite solar cells with efficiencies >18%

https://science.sciencemag.org/content/365/6453/591

9. 李灿院士&郭鑫Nano Energy: 有意思！热电+钙钛矿器件强强联合！

将钙钛矿太阳能电池（PSC）与热电发电机（TEG）集成到混合系统中，可以同时利用太阳能和PSC产生的废热，将太阳能转化为电能。如何制造一个大面积的钙钛矿太阳电池组件（PSM）仍然具有挑战性。

李灿院士和郭鑫团队通过将一个PSM和一个TEG串联在一起，证明制造大面积（16 cm²）PSM-TEG器件的可行性。在PSC子电池串联和并联模式的组合下，最优的PSM-TEG器件在AM 1.5G的光照下，具有12.7%的效率，开路电压为6.80 V，最大功率输出为103 mW。在连续光照下，400小时后保持85%的初始效率。

Integrating large-area perovskite solar module with thermoelectric generator for enhanced and stable power output, Nano Energy, 2019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519307165

10. 北航JMCA: 12.71%效率！高效非富勒烯有机太阳能电池

近年来，非完全性小分子受体（SMAs）的研究取得了长足的进展。一般来说，高性能非富勒烯SMA是基于对称的A–D–A或A–π–D–π–A结构框架。北京航空航天大学Xiaobo Sun和Yanming Sun团队设计并合成了一种具有A–D–π–A结构的新型不对称非富勒烯，TTPT-T-2F。

此外，还合成了对称A-D-A型非富勒烯SMA、IT-2F和对称A-π-D-π-A型非富勒烯SMA、T-TPT-T-2F进行比较。当PBT1-C作为聚合物供体时，TTPT-T-2F基有机太阳能电池（OSCs）的功效率（PCE）达到了12.71%，超过了基于IT-2F（PCE=10.54%）和T-TPT-T-2F（PCE=10.71%）的器件。在PBT1-C:TTPT-T-2F器件中，有利于实现高效、更平衡的电荷传输的相分离，从而提高了PCE。研究表明，具有A–D–π–结构框架的小分子受体是一类很有前途的非富勒烯OSC受体。

Asymmetric A–D–π–A-type nonfullerene small molecule acceptors for efficient organic solar cells, Journal of Materials Chemistry A, 2019

DOI: 10.1039/C9TA06476A

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta06476a#!divAbstract

11. AM：17.3％！最高效低维钙钛矿太阳能电池

与3D钙钛矿相比，低维Ruddlesden-Popper钙钛矿（RPP）表现出优异的稳定性;然而，相对较低的功率转换效率（PCE）限制了它们未来的应用。近日，华中科技大学Ming Shao研究团队开发了一种新的氟取代的苯基乙铵（PEA）阳离子作为间隔阳离子，以制备准2D（4FPEA）2（MA）4Pb5I16（n = 5）钙钛矿太阳能电池。最高的PCE为17.3％，Jsc为19.00 mA cm^-2，V_oc为1.16 V，填充系数（FF）为79％，这是低维RPP太阳能电池的最佳结果（n≤5）。

增强的器件性能可归因如下：首先，由4-氟 - 苯乙基铵（4FPEA）有机间隔物诱导的强偶极场促进电荷解离。其次，氟化RPP晶体优先沿垂直方向生长，并形成相位分布，随着从底部到顶部表面的n数增加，导致有效的电荷传输。第三，基于4FPEA的RPP膜表现出更高的膜结晶度，增大的晶粒尺寸和降低的陷阱态密度。最后，未密封的氟化RPP装置表现出优异的湿度和热稳定性。因此，长链有机阳离子的氟化为同时提高低维RPP太阳能电池的效率和稳定性提供了可行的方法。

Shi, J. Shao, M. et al. Fluorinated Low-Dimensional Ruddlesden–Popper Perovskite Solar Cells with over 17% Power Conversion Efficiency and Improved Stability. AM 2019.

DOI: 10.1002/adma.201901673

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201901673

12. AEM: 0度反溶剂浸泡，大面积钙钛矿太阳能电池更给力

大规模生产大面积的太阳能电池对高性能钙钛矿太阳能电池(PSCs)的商业化有着很高的需求。然而，目前很少报道用于形成高度取向的均匀钙钛矿膜的卷对卷相容的沉积方法。近日，延世大学Jooho Moon研究团队介绍了与大面积制造兼容的简便冷抗溶剂洗浴方法。

将湿的前体膜浸没在0℃的冷抗溶剂浴中，可延迟成核、生长动力实现高度取向的钙钛矿沿垂直于基底的[110]和[220]方向生长。高度优选的晶体取向有利于有效的电荷提取，并减少钙钛矿薄膜内部和晶粒内缺陷的数量，PCE最大值为18.50％。此外，采用冷反溶剂浸泡法制备具有均匀光伏器件参数的大面积（8×10 cm2）PSC，从而验证了该方法的放大能力。

Jang, G. Moon, J. et al. Cold Antisolvent Bathing Derived Highly Efficient Large‐Area Perovskite Solar Cells. AEM 2019.

DOI: 10.1002/aenm.201901719

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201901719

13. AFM: 基于三胺的芳香阳离子作为高效钙钛矿太阳能电池的新型稳定剂

钙钛矿太阳能电池的运行稳定性一直是一个挑战。通常，湿度和热量是钙钛矿最常见的降解来源。近日，首尔国立大学Byungwoo Park研究团队提出1,2,4-三唑作为有效的阳离子溶质以改善钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。 1,2,4-三唑是一种芳香族阳离子，具有低偶极矩，在湿度和热量下是稳定的。

此外，它还具有三个氮原子，在晶格中形成额外的氢键，使材料稳定；1,2,4-三唑合金钙钛矿表现出降低的陷阱密度和薄膜粗糙度以及增强的载流子寿命和导电性。研究人员利用1,2,4-三唑合金化的太阳能电池实现了20.9％的功率转换效率，在极端条件下（85℃/ 85％相对湿度（RH），封装）具有优异的稳定性700小时。

Kim, J. Park, B. et al. Triamine-Based Aromatic Cation as a Novel Stabilizer for Efficient Perovskite Solar Cells. AFM 2019.

DOI: 10.1002/adfm.201905190

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201905190

14. Communications Chemistry：绿色制备稳定的无铅铋基钙钛矿太阳能电池

卤化铅有机 - 无机钙钛矿太阳能电池认证效率已达到24.2％，甚至超过多晶硅太阳能电池（22.3％）的记录。然而，在制造过程中存在有毒铅和特别有毒的溶剂使得钙钛矿太阳能电池的大规模制造由于立法和环境问题而具有挑战性。对于无铅替代品，无毒锡，锑和铋基太阳能电池仍然依赖于采用有毒溶剂的可扩展制造工艺。

近日，斯旺西大学Sagar M. Jain研究团队使用无毒的甲基乙酸酯溶液处理（CH₃NH₃）₃Bi₂I₉薄膜，在介孔TiO₂结构上制备无铅，铋基（CH₃NH₃）₃Bi₂I₉钙钛矿。光电特性，X射线衍射和电子显微镜表明，该方法可以提供均匀和优质（CH₃NH₃）₃Bi₂I₉薄膜。在1次太阳照射下产生最高功率转换效率1.62％。1次太阳照射下显示长达300小时的稳定性。

Jain, S. M. et al. Green fabrication of stable lead-free bismuth based perovskite solar cells using a non-toxic solvent. Communications Chemistry 2019.

DOI: 10.1038/s42004-019-0195-3

https://www.nature.com/articles/s42004-019-0195-3

15. Chem. Soc. Rev.综述: 基于二维材料钙钛矿太阳能电池的电荷载流子动力学，效率和稳定性

钙钛矿已被确立为第三代太阳能电池最有前途的材料之一。然而器件效率和稳定性方面仍有许多重大且持久的挑战需要解决。钙钛矿太阳能电池（PSC）的光伏效率极大地取决于电荷载流子动力学。这种复杂的过程包括电荷载流子的产生，提取，传输和收集，每个都需要以有利的方式进行调制以实现高性能。包括石墨烯及其衍生物的二维材料（TDM），过渡金属二硫化物（例如，MoS2，WS2），黑磷（BP），金属纳米片由于高载流子迁移率和可调节的功函数特性在钙钛矿太阳能电池中的应用已经取得了重大进展。

近日，乔治亚理工学院 Zhiqun Lin、南京大学Zhigang Zou、温州大学Shun Wang详细描述了作为电极，空穴传输层，电子传输层和PSC中的缓冲层的TDM（即石墨烯，石墨烯，过渡金属二硫化物，BP等）的开发和应用的最新进展。还总结了2D钙钛矿作为PSC中的活性吸收层。进一步讨论了TDM和2D钙钛矿对PSC电荷载流子动力学的影响，以全面了解它们的光电子过程。研究人员最后提出 PSC器件面临的挑战，以及提高光伏器件的效率和稳定性的总体目标。

Wang, S. Zou, Z. Lin, Z. et al. The charge carrier dynamics, efficiency and stability of two-dimensional material-based perovskite solar cells.Chem. Soc. Rev. 2019.
DOI: 10.1039/C9CS00254E
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/cs/c9cs00254e#!divAbstract

16. AFM: 具有80.4％填充因子的钙钛矿/硅串联太阳能电池

近日，埃朗根-纽伦堡大学César Omar Ramírez Quiroz研究团队介绍了一种基于聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）掺杂PEDOT：PSS和d‐sorbitol 的多用途互连层，用于单片钙钛矿/硅串联太阳能电池。独立处理的硅和钙钛矿子电池的互连是一个简单的附加层压步骤，减轻了串联器件的常见的制造复杂性。

实验和理论证明，PEDOT：PSS是通过控制纳米尺度和中尺度微结构来操纵电荷复合层的机械和电功能的理想构建块。重组层的最佳功能依赖于d‐sorbitol 掺杂剂分布的梯度，其调节PEDOT穿过PEDOT：PSS膜的取向。使用这种改进的PEDOT：PSS复合材料，与单结器件相比，单片双端钙钛矿/硅串联太阳能电池的稳态效率为21.0％，填充因子为80.4％，开路电压损失可忽略不计。研究人员通过提供具有11.7％功率转换效率的层压双端单片钙钛矿/有机串联太阳能电池，进一步验证了该方法的多功能性。可以设想，这种层压概念可以应用于多个光伏和其他薄膜技术的配对，创建了一个有助于大规模生产高效串联设备的通用平台。

Quiroz Ramírez, C. O.  et al. Interface Molecular Engineering for Laminated Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells with 80.4% Fill Factor. AFM 2019.

DOI: 10.1002/adfm.201901476

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201901476

17. JMCA: 原位Yb掺杂稳定的CsPbI3钙钛矿量子点太阳能电池

胶体钙钛矿量子点（QD）展现出光电应用的独特机会。这是由于它们优异的光学和光伏特性以及成分可调性。目前，只有有限数量的工作将QD合成优化与相关器件性能相关联。近日，苏州大学Wanli Ma研究团队通过在合成期间进行原位Yb掺杂，成功地合成了CsPbI₃ QD并显示出改善的光电性质。

实验结果表明，Yb^{3 +}镧系元素阳离子可有效减少表面和晶格空位引起的缺陷和陷阱状态。该结果有助于改善QD光致发光量子产率（PLQY），材料结晶度，热稳定性和载流子传输。采用最佳Yb掺杂的CsPbI₃ QD的太阳能电池实现了13.12％的最佳功率转换效率（PCE），并且在环境条件下显示出显著改善的储存稳定性。这些结果表明，原位掺杂具有改善钙钛矿QD质量的巨大潜力。这种方法可以为基于量子点的太阳能电池技术的突破提供新的途径。

Shi, J. Ma, W. et al. Efficient and Stable CsPbI3 Perovskite Quantum Dots Enabled by in-situ Ytterbium Doping for Photovoltaic Application. JMCA 2019.

DOI: 10.1039/C9TA07143A

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta07143a#!divAbstract

18. AEM: 无掺杂共面D-π-D空穴传输材料的合理设计助力高性能钙钛矿太阳能电池

近日，广东工业大学Ning Cai联合香港城市大学Sai-Wing Tsang报道了两种新型D-π-D空穴传输材料（HTM），缩写为BDT-PTZ和BDT-POZ，由4,8‐di(hexylthio)‐benzo[1,2‐b:4,5‐b′]dithiophene (BDT) 作为π-共轭接头，和N‐(6‐bromohexyl) phenothiazine (PTZ)/N‐(6‐bromohexyl) phenoxazine (POZ) 作为供体单元。

上述两种HTM在p-i-n钙钛矿太阳能电池（PSC）中作为无掺杂剂的HT层，分别具有18.26％和19.16％的优异功率转换效率。 特别是，BDT-POZ表现出优异的填充因子81.7％，这与其通过稳态/瞬态荧光光谱和空间电荷限制电流技术验证的更有效的空穴提取和传输一致。 单晶X射线衍射表征暗示这两种分子呈现不同的堆积趋势，这可能解释了PSC中的各种界面空穴传输能力。

Chen, Y. Cai, N. Tsang, S.-W. et al. Rational Design of Dopant‐Free Coplanar D‐π‐D Hole‐Transporting Materials for High‐Performance Perovskite Solar Cells with Fill Factor Exceeding 80%. AEM 2019.

DOI: 10.1002/aenm.201901268

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201901268