太阳能电池前沿每周精选丨1125-1201

纳米人

2019-12-08

1. EES: 钙钛矿薄膜的超快激光退火，可实现高效钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池以其高效率，易于制备和低成本而备受关注。香港理工大学的严峰团队报道了一种新型的激光退火方法，用于通过扫描膜表面上的激光点在较低的基板温度下对钙钛矿膜进行退火。在具有高强度和快速扫描速度的激光下，可以在几秒钟内实现超快结晶过程。

因为结晶钙钛矿相比非晶相具有更强的光吸收，快速的激光退火可以在前者中诱发更高的温度，并导致大钙钛矿晶粒的选择性生长。在最佳条件下，成功地制备了具有高结晶度的钙钛矿薄膜，从而形成了具有高功率转换效率和良好稳定性的钙钛矿太阳能电池。此外，通过使用线性激光束实现了钙钛矿膜的更快的激光退火工艺，这有望成为大规模生产大型钙钛矿太阳能电池的有前途的技术。

Ultrafast laser-annealing of perovskite films for efficient perovskite solar cells. EES 2019.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ee/c9ee02324k

2. Matter: 空穴传输层中掺杂剂对钙钛矿的不均匀掺杂

钙钛矿太阳能电池中的有机空穴传输层（HTL）中的掺杂剂通常是不可缺少的，可用于增强HTL的电导率和调整HTL的能级。然而，Li⁺离子可以从HTL扩散到钙钛矿层，其相应的作用常常被忽略。基于此，美国国家可再生能源实验室（NREL）的 Zhang Fei, Chunsheng Jiang, 朱凯和西北工业大学的李祯等人通过开尔文探针力显微镜表明来自HTL的Li⁺掺杂剂可以通过扩散显著掺杂钙钛矿吸收剂层, 并且Li⁺的扩散增加钙钛矿膜的表面电势。

晶界处的电势比晶粒内部的电势增加更多，这表明Li⁺掺杂物在钙钛矿层中的分布不均匀，并且通过使用飞行时间二次离子质谱法进一步证实。p-i-n和n-i-p结构的器件都表明Li⁺离子的扩散和不均匀分布会影响钙钛矿的载流子传输特性和器件特性。这项工作揭示了HTL掺杂剂对钙钛矿薄膜的隐藏掺杂效应及其对PSC性能的影响。

Inhomogeneous Doping of Perovskite Materials by Dopants from Hole-Transport Layer, Matter, 2019

https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.10.005 

3. Nam-Gyu Park最新AEM: 面向大面积，稳定和高效钙钛矿太阳能电池的研究方向

在2012年发现的效率仅有9.7％，稳定性只有500小时的固态钙钛矿太阳能电池（PSC），引发了钙钛矿光伏技术的研究浪潮。仅仅7年后，2019年记录了25.2％的认证功率转换效率（PCE）。自2012年以来，PSC的出版物呈指数增长，截至2019年8月，出版物的总数达到13 200多种。PCE的提升主要得益于器件结构工程以及钙钛矿组分工程。使用疏水性材料或2D / 3D概念进行界面工程可以显着改善长期稳定性。尽管小面积电池显示出极高的效率，但朝着商业化的方向需要放大技术。

韩国成均馆大学Nam-Gyu Park团队在综述文章中强调了向大面积，稳定，高效的PSC的研究方向。对于大面积钙钛矿层，前体溶液与涂层方法同样重要，并阐述了前体工程和前体溶液的配方。而对于无滞后，稳定和高效的PSC，他认为界面工程是最好的方法之一，因为可以有效地钝化缺陷，从而有效地减少非辐射复合。

Research Direction toward Scalable, Stable, and High Efficiency Perovskite Solar Cells. AEM 2019.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201903106

4. JACS：CsPbBr₃团簇辅助结晶以实现高效稳定的钙钛矿电池

基于窄带隙FAPbI₃的钙钛矿因其宽光谱响应和高光电流输出而成为高性能钙钛矿太阳能电池（PSC）的潜力材料。然而，为了抑制自发的α-δ相变，需要将15-17％的溴化物，铯化物或甲基铵掺入FAPbI₃中以得到高效的PSC，但是高的溴含量会增加带隙并缩小光谱响应区域。如果仅降低溴化物含量，则相应的PSC会发生α-δ相变，从而表现出较差的稳定性。华侨大学魏展画和谢立强团队报道了一种CsPbBr₃团簇辅助的自下而上的结晶方法以制备低溴含量（1％〜6％），纯α相且不含MA的FAPbI₃基PSC。

只有几纳米大小的团簇可以充当核以促进高质量α-FAPbI₃钙钛矿垂直生长。而且这些团簇可以在热退火之后被钙钛矿进一步吸收，从而改善了所制备的钙钛矿膜的相均质性。结果，所制备PSC的光响应扩展至830 nm，最高效率达21.78％。此外，所制备PSC还显示出更好的操作稳定性，在1个太阳光照射下维持1000小时后，仍保持其初始效率的82％。

Efficient and stable low-bandgap perovskite solar cells enabled by CsPbBr₃-cluster assisted bottom-up crystallization approach. JACS, 2019.

https://doi.org/10.1021/jacs.9b11546

5. 欧阳新华Adv. Sci.: 从稻草到有机太阳能电池的的界面材料

在过去的几十年中，研究人员已经广泛地研究了由石油化学资源制成的高级界面材料用于有机太阳能电池（OSC）。这些界面材料在OSC器件中表现出出色的性能。然而，基于石化的界面材料的资源有限，成本高且不环保的特性限制了其商业应用。福建农林大学欧阳新华团队展示了一种简便有效的方法，可从稻草中提取农林业残留物来制备纤维素及其衍生物作为OSC的阴极界面层，并提高器件性能。

通过将此羧甲基纤维素钠（CMC）应用于OSC，可构建高效的反向OSC，效率可达到12.01%，与没有CMC层的器件相比，PCE改善了9.4％以上（PCE = 10.98％），尤其是短路电流的增加。通过使用CMC和ZnO作为共界面来减少功函数、增强吸收和改善界面接触，从而提高了电流密度和PCE。这种从生物可再生资源为OSCs制备界面材料的方法简单、可扩展、成本低，代表了智能界面和绿色电子的发展方向。

From Straw to Device Interface: Carboxymethyl-Cellulose Based Modified Interlayer for Enhanced Power Conversion Efficiency of Organic Solar Cells. Adv. Sci. 2019.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/advs.201902269

6. 北京科技大学Nano Energy: 高结晶钙钛矿的离子缺陷双重钝化

用作复合中心的卤化钙钛矿材料中的离子缺陷严重限制了其在太阳能电池中的应用。北京科技大学Yue Zhang和 Zhuo Kang团队提出了一种双钝化策略，通过简单地结合低成本氯化铵来同时钝化带负电和带正电的离子缺陷。

有效的缺陷调制可降低缺陷密度并延长载流子寿命，从而有助于形成高度结晶的钙钛矿。得益于这些优点，钙钛矿太阳能电池的效率可提高到21.38％。更重要的是，这种双重钝化方法可以进一步扩展到混合阳离子钙钛矿体系，而不仅限于传统的基于甲基铵的钙钛矿。同时调节不同类型的离子缺陷的这种方法可能会推动有效地促进钙钛矿的演化。

Device Design Rules and Operation Principles of High-Power Perovskite Solar Cells for Indoor Applications，Nano Energy, 2019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519310274

7. 陈冲&黄青松&王命泰Nano Energy: 油胺保护的PbSO₄(PbO)₄量子点钝化钙钛矿

钙钛矿晶体中的缺陷以及水分/氧气渗透到钙钛矿层中是钙钛矿太阳能电池（PSC）实现长期稳定性和高效率（PCE）的主要问题。河南大学的陈冲，四川大学黄青松联合中科院合肥技术创新工程院的王命泰等人首次报道了油胺涂覆的PbSO₄(PbO)₄量子点（QDs），它是一种具有双重功能的钝化材料，可以同时钝化表面缺陷并阻止水分/氧气渗透到钙钛矿层中稳定高效的PSC。

PbSO₄(PbO)₄量子点通过钝化配位不足的Pb离子和I阴离子来降低钙钛矿膜的缺陷密度。此外，OA的H原子与钙钛矿的I原子之间的氢键以及钙钛矿/OA界面处的界面电场也有助于提高PSC的效率和稳定性。具有OA涂层的PbSO₄(PbO)₄的PSC获得了20.02％效率。此外，具有OA涂层的PbSO₄(PbO)₄ QD的PSC在运行280小时后仍保持90％的初始效率。

Efficient and stable perovskite solar cells thanks to dual functions of oleyl amine-coated PbSO₄(PbO)₄ quantum dots: defect passivation and moisture/oxygen blocking，Nano Energy, 2019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519310201#!

8. 谭海仁AEM: 22.2％效率！SnO₂-KCl复合电子传输层助力高效钙钛矿电池

钙钛矿太阳能电池的性能对不利缺陷敏感，这些缺陷易于累积在钙钛矿薄膜的界面和晶界处。每块区域的缺陷将导致陷阱密度降低，从而减少非辐射复合损失。然而，主要由于溶剂的不相容性和钙钛矿形成的复杂性，使在晶界和电荷传输层/钙钛矿界面上的缺陷都钝化是具有挑战性的。

谭海仁团队将SnO₂-KCl复合电子传输层（ETL）用于平面钙钛矿太阳能电池中，以同时钝化ETL /钙钛矿界面和钙钛矿薄膜晶界处的缺陷。ETL/钙钛矿界面处的K和Cl离子钝化ETL/钙钛矿接触。同时，来自ETL的K离子可以扩散穿过钙钛矿薄膜并钝化晶界。使用SnO₂-KCl复合ETL的器件的开路电压从1.077 V提高到1.137 V，相应的效率从20.2％提高到22.2％。

Simultaneous Contact and Grain‐Boundary Passivation in Planar Perovskite Solar Cells Using SnO₂‐KCl Composite Electron Transport Layer，AEM，2019

https://doi.org/10.1002/aenm.201903083