太阳能电池前沿每周精选丨1007-1013

纳米人

2019-10-20

1. 王鹏ACS Energy Lett.：22%效率！新型空穴传输层提高钙钛矿太阳能电池的性能

改善空穴传输分子半导体的迁移率，尤其是热稳定性，是提高钙钛矿太阳能电池（PSC）的效率（PCE）和工作耐久性的一种可行的策略。浙江大学王鹏团队合成了一种DBC-OMeDPA半导体。与现有的Spiro-OMeTAD相比，DBC-OMeDPA具有更高的空穴迁移率。

研究结果揭示了其三维分子堆积和多向空穴传输性质，并阐明了空穴传输过程的微观机理。以DBC-OMeDPA作为空穴传输体的PSC获得了22％的更好PCE，稳定性也大大提高。

A Double Helicene Based Hole-Transporter for Perovskite Solar Cells with 22% Efficiency and Operation Durability，ACS Energy Lett.2019

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b01949

2. Snaith最新ACS Energy Lett.：双源共蒸制备高效FACsSnPbI₃钙钛矿电池

钙钛矿卤化物非常适合与单片多结光伏电池，有望实现低成本的太阳能到电能的转换。对于全钙钛矿多结制造而言，至关重要的是沉积低带隙吸收层而不会损坏其他器件层。因此，气相沉积是一种有吸引力的方法，不需要光学损耗的保护性界面层，但是对于多组分钙钛矿来说却是一个挑战。

Henry J. Snaith团队报道了一种双源共蒸发低带隙钙钛矿薄膜和器件的方法。使用由金属卤化物熔融形成的混合物作为Cs，Pb和Sn阳离子的单坩埚源。当该熔体与FAI共蒸发时，形成了FA_1-xCs_xSn_1-yPb_yI₃族均匀而致密的钙钛矿薄膜。熔体中包含SnF₂有助于调节钙钛矿的光电性质，从而使太阳能电池的稳态效率达到10％。这代表了蒸发钙钛矿合金的新加工范例，这是迈向全钙钛矿多结光伏技术的重要一步。

Dual-source Co-evaporation of Low-bandgap FA_1-xCs_xSn_1-yPb_yI₃ Perovskites for Photovoltaics，ACS Energy Lett.2019

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b01855

3. 新南威尔士大学ACS Energy Lett.：23.1％效率的钙钛矿-硅串联太阳能电池

当钙钛矿电池是硅基串联电池的顶层电池时，钙钛矿电池中的载流子传输层的紫外线诱导降解和寄生紫外线（UV）吸收会阻碍稳定性和电性能。新南威尔士大学的郑将辉和Anita W. Y. Ho-Baillie团队通过在整体钙钛矿/硅串联电池的正面应用结构化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜解决了这些问题，该膜结合了下转换材料（Ba，Sr）₂SiO₄：Eu²⁺微米荧光粉。该膜具有多种用途：对顶部电池进行减反射控制，将硅电池中的光捕获，以及吸收紫外线并以高量子产率重新发射绿光。

当将其应用于4 cm²的单结钙钛矿硅串联太阳能电池上时，功率转换效率从20.1％（无防反射膜的基线器件）提高到22.3％（有防反射膜但无荧光体的器件）和23.1％（具有向下移动的并入磷光体的减反射膜的装置）。迄今为止，冠军设备实现了23.0％的稳态效率和81％的高填充因子，这是迄今为止使用同质结硅底部电池的整体钙钛矿/硅串联的最高值。而且，连续的紫外线照射试验的结果表明，该复合降档抗反射膜大大增强了串联装置的紫外线稳定性。这项工作展示了一种优雅的方法，可以提高大面积钙钛矿/硅鞣皮的效率和稳定性。

Large-Area 23%-Efficient Monolithic Perovskite/Homojunction-Silicon Tandem Solar Cell with Enhanced UV Stability Using Down-Shifting Material，ACS Energy Lett.2019

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b01783

4. 邹应萍&颜河Joule: 16.74％创纪录效率！高效有机太阳能电池

中南大学邹应萍和香港科技大学颜河团队报告了名为Y6的高效（15.7％）小分子受体（SMA）之后，有机太阳能电池领域得到了快速发展。设计并合成了具有与Y6相同的芳族主链但具有不同烷基链的SMA系列，以研究烷基链对SMA的性能和性能的影响。

首先，研究表明在Y6的吡咯基序的氮原子上使用支链烷基链是有益的。另外，烷基链的支化位置也对材料和器件性能有重要影响。具有第三位支链烷基链的SMA（命名为N3）表现出最佳的溶解度以及电子和形态学特性，因此产生了最佳性能。 使用三元策略对器件进行进一步的优化，最终实现了16.74％的高效率（以及16.42％的认证效率），这是目前有报道的最高国际认证单节光伏能量转换效率。

Alkyl Chain Tuning of Small Molecule Acceptors for Efficient Organic Solar Cells, Joule

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119304702

5. Kanatzidis&吴朝新Joule: 9.61％效率！高效、自修复FASnI₃太阳能电池

在基于Sn的钙钛矿薄膜中引入大体积胺（LVA）是可以在无铅钙钛矿太阳能电池（PSC）中提高器件的效率（PCE）。然而，迄今为止采用的LVA（例如，苯乙铵和丁铵）是绝缘的，并且可能阻碍钙钛矿膜内的电荷提取。吴朝新和Mercouri G.Kanatzidis团队将共轭的LVA，3-苯基-2-丙烯-1-胺（PPA）引入到碘化锡甲酸铵（FASnI₃）钙钛矿中。

结果表明，PPA的掺入会使得晶粒尺寸增大，陷阱密度降低，择优取向，有效电荷提取以及FASnI₃薄膜的结构稳定性提高。最终，器件效率可达9.61％，并且具有出色的稳定性。此外，PPA的存在可实现PSC的自修复作用。最重要的是，大面积（1×1 cm2）锡基PSC的效率为7.08％。

Conjugated Organic Cations Enable Efficient Self-Healing FASnI3 Solar Cells，Joule

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.08.023

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243511930426X

6. 陈棋&李耀文Nat. Commun.: 21.1％效率！高性能倒置结构钙钛矿太阳能电池

陈棋和李耀文团队研究发现，带电表面缺陷在钝化后可以是良性的，并可以进一步用于界面能带结构的重构。基于带相反电荷的离子之间的静电相互作用，碘离子电离后具有路易斯酸特征的富勒烯骨架（PCBB-3N-3I）不仅可以有效地钝化带正电的表面缺陷，而且可以在钙钛矿活性层的顶部以优选的方向组装。

因此，具有强分子电偶极子的PCBB-3N-3I形成偶极子夹层，以重构界面能带结构，从而增强了内置电势和电荷收集。倒置结构的平面异质结钙钛矿太阳能电池展现出21.1％的效率和优异的环境稳定性。

Reconfiguration of interfacial energy band structure for high-performance inverted structure perovskite solar cells

Nature Communications, (2019) 

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12613-8

7. Michael Grätzel最新JACS: 揭示5- AVAI稳定α-FAPbI₃的内在机制

无机-有机杂化钙钛矿的化学掺杂是改善钙钛矿太阳能电池（PSC）性能和操作稳定性的有效方法。瑞士洛桑理工学院Michael Grätzel，Lyndon Emsley和  Dominik J. Kubick团队使用5-铵戊酸（AVAI）来化学稳定α-FAPbI3的结构。

使用固态核磁证明了分子调节剂与钙钛矿晶格之间的原子级相互作用，并通过DFT计算进一步提出了稳定的三维结构的结构模型。研究发现，在存在AVAI的情况下钙钛矿的一步沉积可产生微米级晶粒和增强的载流子寿命的高结晶膜。因此，基于5-AVA的太阳能电池的效率（PCE）为18.94％。在连续工作条件下，器件在300小时后仍保持90％的初始效率。

Atomic-Level Microstructure of Efficient Formamidinium-Based Perovskite Solar Cells Stabilized by 5-Ammonium Valeric Acid Iodide Revealed by Multi-Nuclear and Two-Dimensional Solid-State NMR，J. Am. Chem. Soc. 2019

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b07381

8. EES: 16.52％效率！溶液制备的n掺杂含石墨烯的有机太阳能电池

界面工程是实现有机太阳能电池（OSC）的高性能的非常关键的因素。贵州理工学院Menglan Lv和中科院化学所李永舫院士团队通过将石墨烯添加到经典材料PDINO中，为OSC开发了可溶液处理的n掺杂石墨烯阴极界面材料（CIM）PDINO-G。 n掺杂的PDINO-GCIM具有增加的电导率，较低的功函，减少的电荷复合并提高了电荷提取率。

在此之前，n掺杂石墨烯仅在化学气相沉积（CVD）的石墨烯表面上制备石墨烯薄膜，无溶液可加工性。基于PM6：Y6和PDINO-G CIM的OSC显示出16.52％的高效率（平均PCE为（16.3±0.2）％。结果表明，n掺杂的PDINO-G是一种优异的OSC的CIM。

Solution-processable n-doped graphene-containing cathode interfacial

materials for high performance organic solar cells, Energy Environ. Sci., 2019,

DOI:10.1039/C9EE02433F.

9. EES: 23.26％的认证效率！钙钛矿-CIGSe叠层太阳能电池

德国亥姆霍兹柏林钙钛矿叠层器件研究中心Amran Al-Ashouri，Artiom Magomedov和 Steve Albrecht等人在钙钛矿太阳能电池（PSC）中引入了两个新的空穴选择触点界面的分子。这些分子基于具有膦酸锚定基团的咔唑基团，并且可以在各种氧化物上形成自组装单层（SAMs）。除了最小的材料消耗和寄生吸收，自组装过程还可以通过简单的过程控制来保形覆盖任意形成的氧化物表面。

SAM设计为在钙钛矿吸收体上形成能量匹配的界面，而不会产生非辐射损耗。PSC的效率高达21.1％。此外，制备了单结CIGSe/钙钛矿串联太阳能电池。保形覆盖允许实现其沉积在粗糙的CIGSe表面。在1 cm²的有效面积上具有23.26％的认证效率。 SAM的简单性和多样化的基底兼容性可能有助于进一步将钙钛矿光伏技术发展为低成本，广泛采用的太阳能技术。

Conformal monolayer contacts with lossless interfaces for perovskite single junction and monolithic tandem solar cells，Energy Environ. Sci., 2019

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee02268f#!divAbstract

10. 加州大学圣巴巴拉分校AM: 15%! 高效单结体异质结有机太阳能电池

高效的单结体异质结（  BHJ）PM6：Y6系统可以实现高开路电压（VOC），同时保持出色的填充因数（FF）和短路电流（JSC）值。加州大学圣巴巴拉分校G. N. Manjunatha Reddy、Thuc‐Quyen Nguyen 研究团队发现具有低的能量偏移的共混体系表现出辐射和非辐射重组损失，这是文献中报道的较低值。重组和萃取动力学研究表明，该器件在整个相关操作条件下均表现出中等程度的非双链重组以及出色的萃取效果。

表面和本体表征技术可用于了解相分离，远距离有序性以及原子级分辨率下的供体：受体（D：A）分子间和分子内相互作用。这是通过使用光电导原子力显微镜，掠入射宽角X射线散射和固态19F魔角旋转NMR光谱仪实现的。多方面表征与设备物理的协同作用，首次揭示了关于这种高性能BHJ共混物的结构-性能关系的关键见解。有关原子解析D：A相互作用和堆积的详细信息表明，这种混合物中超过15％的高效效率可归因于有益的形态，尽管能量偏移低，该形态仍可保留高JSC和FF。

 Karki, A. Manjunatha Reddy, G. N. Nguyen, T.-Q. et al. Understanding the High Performance of over 15% Efficiency in Single‐Junction Bulk Heterojunction Organic Solar Cells. AM 2019.

DOI: 10.1002/adma.201903868

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903868

11. 麻省理工AFM: 新型空穴传输层（PDTITT）助力高效稳定的钙钛矿太阳能电池

稳定性是有机-无机钙钛矿太阳能电池（PSC）的主要挑战。寻找低成本且稳定的空穴传输层（HTL）是解决此问题的有效策略。近日，麻省理工Mohammad Mahdi Tavakoli、 Jing Kong合成了一种新的供体聚合物，poly(5,5‐didecyl‐5H‐1,8‐dithia‐as‐indacenone‐alt‐thieno[3,2‐b]thiophene) （PDTITT），并用作HTL，它相对于双-A阳离子钙钛矿薄膜具有合适的能带排列。使用PDTITT，与常用的HTL（spiro‐OMeTAD）相比，PSC中的空穴提取得到了极大的改善，解决了滞后问题。

经过优化，基于PDTITT HTL的最大功率转换效率（PCE）为18.42％，与基于Spiro-OMeTAD的PSC（19.21％）相当。然而，基于PDTITT HTL的PSC的操作稳定性得到了显著改善。在光照下200小时后，基于PDTITT的器件保留其初始PCE值的88％，而Spiro-OMeTAD基器件仅有54％。

Tavakoli, M. M. Kong, J. et al. Efficient and Stable Mesoscopic Perovskite Solar Cells Using PDTITT as a New Hole Transporting Layer. AFM 2019.

DOI:10.1002/adfm.201905887

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201905887

12. 西北大学(美) ACS Energy Lett.: 有机太阳能电池的进展和挑战

有机太阳能电池（OSC）具有低成本，轻巧，易于加工且对环境的影响小等优点，被认为是替代无机太阳能电池的候选者。 OSC的相对较低的功率转换效率（PCE）和相对较短的器件寿命成为商用OSC的挑战。钙钛矿太阳能电池（PSC）的出现改变了光伏研究领域，一些OSC研究小组已经将研究方向转移到完全专注于PSC。

这种趋势已在许多会议中得到反映，有关PSC的报告数量在增加，而有关OSC的报告数量却在减少。但是，根据Web of Science的数据，在过去五年中，OSC和PSC的出版物数量分别约为19 000和11 000。实际上，OSC研究在克服PCE低和器件寿命低的问题取得了重大突破和进展。

Lin X. Chen. Organic Solar Cells: Recent Progress and Challenges. ACS Energy Lett.2019.

DOI:10.1021/acsenergylett.9b02071

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsenergylett.9b02071

13. AM: 高效稳定0D / 3D异质结构全无机钙钛矿太阳能电池

尽管有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PVSC）在器件效率方面取得了显著的提高，但其长期稳定性仍是商业化的主要问题。为解决此问题，大量的研究工作致力于通过使用基于铯（Cs）的钙钛矿材料（例如α-CsPbI3）来开发全无机PVSC。但是，黑相CsPbI₃（立方α-CsPbI₃和斜方晶系γ-CsPbI₃相）在室温下不稳定，并且倾向于转变为非钙钛矿δ-CsPbI₃相。

近日，香港城市大学Alex K.‐Y. Jen、Zonglong Zhu、He Yan通过一种简单而有效的方法来制备稳定的黑相CsPbI₃，即调整CsI和PbI之间的前驱体的化学计量形成包含0D Cs₄PbI₆和γ-CsPbI₃的异质结构。这种异质结构表现为能够实现稳定的全无机PVSC，具有16.39％的高功率转换效率。这项工作为开发高性能和稳定的全无机PVSC提供了新的思路。

Bai, F. Jen, A. K.‐Y. Zhu, Z.  Yan, Z. et al. A 0D/3D Heterostructured All-Inorganic Halide Perovskite Solar Cell with High Performance and Enhanced Phase Stability. AM 2019.

DOI:10.1002/adma.201904735

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201904735