光伏周刊丨杨阳Science、Gratzel、韩宏伟、郭少军、逄淑平等一周成果汇总
纳米人
2019-12-31
1. 杨阳Science: 茶碱处理！22.6％效率的钙钛矿太阳能电池
表面陷阱介导的非辐射电荷复合是实现高效金属卤化物钙钛矿光伏电池的主要限制。钙钛矿晶格的离子特性通过官能团和缺陷之间的相互作用使分子缺陷钝化方法成为可能。然而，缺乏对分子构型如何影响钝化效果的深入了解，从而对合理的分子设计提出了巨大挑战。加州大学洛杉矶分校的杨阳，Jingjing Xue, Kendall N. Houk，苏州大学的王照奎和马尔马拉大学的Ilhan Yavuz等人系统地研究了茶碱，咖啡因和可可碱的官能团的化学环境对缺陷钝化的情况。当分子中N-H和C=O处于最佳构型时，N-H和I之间的氢键形成有助于主要的C=O与Pb反位缺陷的结合，从而最大化表面缺陷结合。用茶碱处理的钙钛矿太阳能电池的稳定效率为22.6％。
三个表面C=O基团的表面缺陷识别和构造构型不同的化学环境Constructive molecular configurations for surface-defect passivation of perovskite photovoltaics，Science，2019DOI:10.1126/science.aay9698https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1509
2. Grätzel&韩宏伟Angew: 鸟嘌呤,稳定的FAPbI3钙钛矿
甲脒基碘化铅钙钛矿材料具有出色的光伏性能以及出色的热稳定性。然而，钙钛矿α-FAPbI3相到δ-FAPbI3相的退化降低了太阳能电池的光伏性能。韩宏伟和Michael Grätzel团队报道了一种通过低维杂化钙钛矿材料来抑制相转变的新策略，该材料包括用作三维FAPbI3相稳定剂的鸟嘌呤有机间隔层。此外，通过固态核磁共振波谱结合X射线晶体学，透射电子显微镜，分子动力学模拟和DFT计算，揭示了原子级相互作用的基本模式。获得了16%效率的低维相混合型FAPbI3钙钛矿太阳能电池，并具有增强的长期稳定性。Guanine‐Stabilized Formamidinium Lead Iodide Perovskites，Angew, 2019https://doi.org/10.1002/anie.201912051
3. Chem.Soc. Rev.: 胶体量子点太阳能电池中的光激发载流子动力学
胶体量子点太阳能电池（QDSC）的认证效率（PCE）记录在过去几年中已从不足4％大幅提高到16.6％。但是，QDSC的PCE仍大大低于理论效率。迄今为止，缺少对QDSC中光激发载流子动力学的总结。QDSC的光伏性能仍然受到光电压、光电流和填充因子的限制，而光电压、光电流和填充因子主要由器件中的光激发载流子动力学决定，包括载流子（或激子）的产生，载流子的提取或转移以及载流子的复合过程。日本电气通信大学的沈青、陕西师范大学Guohua Wu和南京大学的邹志刚团队总结并讨论了整个QDSC中从单个量子点（QD）到整个器件的光激发载流子动力学，以及用于分析光激发载流子动力学的表征方法。讨论了包括光激发多激子生成（MEG），热电子提取以及相邻QD之间的载流子转移以及QDSC的每个界面处的载流子注入和复合在内的最新研究。还讨论了光激发载流子动力学对量子点的物理化学性质和量子点控制器件的光电性能的影响。Photo excited carrier dynamics in colloidal quantum dot solar cells: insights into individual quantum dots, quantum dot solid films and devices，Chem. Soc.Rev., 2019https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/c9cs00560a#!divAbstract
4. AM: 高效交联的硫辛酸双向钝化处理助力高性能钙钛矿太阳能电池
钙钛矿-传输层界面（PTLI）内不可避免地会产生缺陷，这会对功率转换效率（PCE）和钙钛矿太阳能电池（PSC）的稳定性造成不利影响。电子科技大学的王宁和北京大学的郭少军等人发现将可交联的有机小分子硫辛酸（TA）通过配位效应同时化学固定在TiO2和MAPbI3的表面上。经过热处理形成原位交联的连续聚合物（Poly（TA））坚固网络，可以作为一种新的双面钝化剂引入PSC中，可以实现极大地钝化缺陷。研究还发现，Poly（TA）可以进一步提高钙钛矿薄膜的电荷提取效率以及耐水和耐光能力。基于Poly（TA）的PSC达到了有史以来报道的MAPbI3最佳PCE的20.4％，具有可忽略的滞后性，并且稳定性大大提高。密度泛函理论计算表明，Poly（TA）对MAPbI3和PTLI的钝化是通过Poly（TA）中的官能团（-COOH，-C-S）与MAPbI3中的Pb2 +配位和TiO2中的Ti4 +配位而相互作用发生的，这同时也得到了实验测试的证明。Efficient Bifacial Passivation with Crosslinked Thioctic Acid for High-Performance Methylammonium Lead Iodide Perovskite SolarCells. AM 2019.DOI:10.1002/adma.201905661https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905661
5. AFM: 高润湿性和均匀的空穴提取层的协同共组装，用于大面积钙钛矿太阳能电池
所有具有有机电荷传输层（CTL）的钙钛矿太阳能电池（PSC）都具有明显的性能优势，但将其放大实现高效大面积器件仍是一个巨大的挑战，因为钙钛矿下面的有机CTL太薄，无法通过旋涂形成大面积的均质层。此外，该有机涂层的疏水性进一步阻碍了钙钛矿层溶液法的制备。华东理工大学吴永真和朱为宏团队报道了基于锚固的共组装（ACA）策略，即亲水性铵盐CA-Br与空穴传输的三苯胺衍生物的协同共吸附，从而为p-i-n结构的PSCs获取可扩展和可润湿性的有机空穴提取层。ACA路线不仅可以使有机超薄CTL具有很高的均匀性，而且消除了不润湿的问题，从而可以实现覆盖率达100％的大面积钙钛矿薄膜。此外，将CA‐Br纳入ACA策略可以通过阳离子的空位钝化来保证高质量的电子连接。因此，p–i–n结构的PSC（1.02 cm2）达到了17.49％的高效率（PCE），而面积为36 cm2的模块显示PCE为12.67％，在所有以CTL为基础的PSCs中，最好的放大效果之一。这项工作表明，ACA策略可能是通往大面积均匀界面层以及钙钛矿太阳能电池放大的有前途的途径。Synergistic Coassembly of Highly Wettable and Uniform Hole-Extraction Monolayers for Scaling-up Perovskite Solar Cells. AFM 2019.DOI:10.1002/adfm.201909509https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201909509
6. AFM: 双面表面钝化的三维钙钛矿薄膜实现高效太阳能电池
钙钛矿与相邻电荷传输层之间的界面处的缺陷诱导的载流子重组限制了大多数钙钛矿太阳能电池的效率。因此，界面缺陷的钝化对于获得接近理论极限的电池效率至关重要。澳大利亚国立大学Md Arafat Mahmud、Thomas P. White等人报道了一种新颖的3D钙钛矿薄膜的双面钝化工艺，其具有形成2D层状钙钛矿的表面层。据报道，具有约1.6 eV光学带隙的钙钛矿薄膜其器件最高效率为22.77％，开路电压为1.2 V。实验和数值分析表明，该表面层在电子和空穴传输层的界面上均提供了有效的缺陷钝化，从而抑制了活性层两侧的表面复合。尽管钝化层具有半绝缘性，但仍观察到填充因子增加。二维钙钛矿层的表面覆盖不完全可以解释有效的载流子提取，可以使电荷通过局部未钝化区域传输，这类似于硅光伏中使用的隧道氧化物钝化层。该工作所提出的2D钙钛矿表面钝化层的策略具有进一步提高电池效率的潜力。Double-Sided Surface Passivation of 3D Perovskite Film for High-Efficiency Mixed-Dimensional Perovskite Solar Cells. AFM 2019.DOI:10.1002/adfm.201907962.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201907962
7. AFM综述: 染料敏化和钙钛矿太阳能电池中的碳对电极
开发高效稳定的对电极（CE）材料来代替稀有和昂贵的贵金属，用于染料敏化和钙钛矿太阳能电池（DSC和PSC）是一个研究热点。碳材料因其低成本，出色的活性和出色的稳定性而被公认为是两种光伏设备商业化的最合格的无贵金属CE。河北师范大学Mingxing Wu、Jing-Yuan Ma等人对两种器件的CE材料进行了广泛的综述。对于DSC，由于电极性质与碳材料的特定孔隙率或纳米结构密切相关，因此作者根据形态进行了分类讨论。还讨论了影响碳CEs催化行为的关键因素。对于PSC，作者全面介绍了新型碳CE材料的概述。此外，还展示了旨在改善钙钛矿和碳层之间的界面接触以提高光伏性能的改性技术。最后，阐述了DSC和PSC中碳CE的发展方向，主要挑战和应对方法。Carbon Counter Electrodes in Dye-Sensitized and Perovskite Solar Cells.
DOI:10.1002/adfm.201906451https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201906451
8. AEM:研究新进展！喷墨印刷钙钛矿太阳能电池
将实验室规模的自旋涂层钙钛矿太阳能电池（PSC）的高功率转换效率（PCE）转移到大面积光伏模块，需要可扩展制造方法的显着进步。数字喷墨印刷有望将钙钛矿薄膜以可扩展，节省成本和成本效益的方式沉积在各种基材上，并具有任意形状。卡尔斯鲁厄理工学院Helge Eggers、Fabian Schackmar、Ulrich W. Paetzold等人展示了高质量的喷墨印刷三阳离子钙钛矿层，其厚度> 1 µm，从而实现了前所未有的高PCE> 21％，稳定的功率输出效率> 18％喷墨打印的PSC。深入的表征表明，使用该方法沉积的钙钛矿薄膜呈现柱状晶体结构，无水平晶界，并在整个厚度范围内延伸。对于该工艺，PSC的最佳厚度约为1.5 µm。X射线光发射光谱分析证实了表面预期的化学计量钙钛矿成分，并显示出较厚薄膜的强烈偏差和不均匀性。微米厚的钙钛矿薄膜具有非常长的电荷载流子寿命，突出了其出色的光电特性。它们在下一代喷墨印刷钙钛矿太阳能电池，光电探测器和X射线探测器特别有前途。Inkjet-Printed Micrometer-Thick Perovskite Solar Cells with Large Columnar Grains. AEM 2019.DOI:10.1002/aenm.201903184https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/aenm.201903184
9. AMI：基于溶液制备的纳米粒子中间层的PbS串联太阳能电池
串联太阳能电池是打破单器件Shockley-Queisser限制的有效方法之一。可溶液处理的PbS量子点由于其尺寸可调的带隙而成为制备串联太阳能电池的良好候选者。然而，连接串联太阳能电池的中间连接层对于器件性能至关重要，因为它决定了电荷复合效率和电阻等。 新南威尔士大学Tom Wu和香港科技大学Jonathan E. Halpert团队开了溶液法制备的超薄NiO和Ag纳米颗粒膜充当中间层，以增强PbS串联太阳能电池的电荷复合效率。具有ITO/S-ZnO/1.45 eV PbS-PbI2/PbS-EDT/NiO/Ag NPs/ZnONPs/1.22 eV PbS-PbI2/PbS-EDT/Au结构的太阳能电池展示出7.1％的功率转换效率，性能明显优于单个太阳能电池单元。PbS quantum dot tandem solar cell based on solution-processed nanoparticle intermediate layer. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019.DOI：10.1021/acsami.9b16164https://doi.org/10.1021/acsami.9b16164
10. ACS Energy Lett.：基于DMAI制备的的无机钙钛矿太阳能电池的化学组成和相演化
无机CsPbI3有望增强钙钛矿太阳能电池的热稳定性。目前，基于碘化二甲胺（DMAI）制备太阳能电池是实现高效率的最有效方法，但是尚未有报道对DMAI的效果进行更加深入地分析。中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊和逄淑平团队研究了混合DMAI-CsPbI3层在热处理期间的化学组成和相变。结果表明，在DMSO溶剂中使用常见的DMAI/CsI/PbI2配方，首先通过DMAPbI3与Cs4PbI6之间的固相反应形成了混合钙钛矿DMA0.15Cs0.85PbI3。进一步的热处理将混合的钙钛矿相直接转化为γ-CsPbI3，然后自发转化为δ-CsPbI3。作者还证明DMA0.15Cs0.85PbI3相具有热力学稳定性，并且带隙为1.67 eV。因此，与纯无机γ-CsPbI3钙钛矿相比，混合DMA0.15Cs0.85PbI3钙钛矿的器件效率得到了极大的提高。Chemical Composition and Phase Evolution in DMAI-Derived Inorganic Perovskite Solar Cells. ACS Energy Lett., 2019.DOI：10.1021/acsenergylett.9b02272https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b0227211.AMI：使用SnO2作为缓冲层的高效PbSe胶体量子点太阳能电池PbSe胶体量子点（CQD）由于其可调节的带隙，溶液加工性和有效的多激子产生效应而被广泛用于太阳能电池。目前最高效的PbSe CQD太阳能电池使用高温处理的ZnO作为电子传输层（ETL），然而这限制了它们在柔性光伏电池中的应用。由于光吸收较少和电子迁移率较高，低温溶液处理的SnO2已被证明是用于高效PbS CQD和钙钛矿太阳能电池的有效ETL。华中科技大学ChaoChen和Jianbing Zhang等人介绍了低温溶液处理的SnO2作为PbSe CQD太阳能电池的ETL，并通过一步旋涂法制造了PbSe CQD吸收层。具有FTO(SnO2:F)/SnO2/PbSe-PbI2/PbS-EDT/Au结构的器件实现了577.1 mV的高开路电压，24.87 mA cm-2的短路电流密度，67％的填充因子和9.67％的功率转换效率。Efficient PbSe colloidal quantum dot solar cellsusing SnO2 as a buffer layer. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019.DOI：10.1021/acsami.9b19651原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.9b1965112. Nano Energy：基于双（三氟甲磺酰基）酰亚胺添加剂的高效稳定的钙钛矿太阳能电池众所周知，添加剂双（三氟甲磺酰基）酰亚胺锂（Li-TFSI）的快速聚集和水合会导致基于Spiro-OMeTAD空穴传输层（HTL）的钙钛矿太阳能电池（PSC）具有很差的稳定性质。昆士兰科技大学Hongxia Wang等人采用疏水性更强的碱土金属双（三氟甲磺酰基）酰亚胺添加剂（即Mg-TFSI2和Ca-TFSI2）代替Li-TFSI，可以有效地稳定TFSI盐和4-叔丁基吡啶之间的配位络合物，进而导致添加剂的聚集和水合作用受阻，从而增强HTL的耐湿性。此外，通过使用这种方法，我们获得了具有更高空穴迁移率的高质量HTL，改善了空穴提取过程。将这些HTL集成到光伏设备中，我们获得了实质性的性能提升，最佳的PSC显示了超过20％的效率。此外，在环境空气中老化后，用碱土金属双（三氟甲磺酰基）酰亚胺添加剂的未封装器件在193天后仍保持其初始效率的83％。Alkaline-Earth Bis(trifluoromethanesulfonimide) Additives for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells. Nano Energy, 2019.DOI：10.1016/j.nanoen.2019.104412https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104412
