太阳能电池前沿每周精选丨1230-0105

纳米人

2020-01-15

1. EES综述：胶体量子点太阳能电池的商业化：器件结构和制造的前景

在过去的十年中，胶体量子点太阳能电池（CQD-SC）获得了迅速的发展，功率转换效率超过16％。随着材料工程（CQD表面化学）和设备物理（结构与缺陷工程）的发展，CQD-SC正逐步走向商业化。全面概述商业化的要求是当务之急。对CQD-SCs的结构工程、升级技术、稳定性和制造成本有必要建立广泛的理解。基于此，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Moonsub Shim与首尔国立大学的Changhee Lee等人综述了具有相应电荷转移机制的器件结构的发展。然后，概述了大规模生产CQD-SC的升级方法。

每种升级技术之间的比较表明，最先进的过程已接近工业化。此外，综述还研究了光伏（PV）性能下降的原因，可能的降解源可以按外部环境因素进行分类，并提出了改善CQD-SCs稳定性的策略。最后，从小众光伏市场的角度回顾了CQD-SC的成本效益。介绍了商用CQD-SC的逐级制造成本分析方法，并讨论了环保型CQD-SC的未来方向。

HyunhoLee, Hyung-Jun Song, Moonsub Shim, Changhee Lee. Towards commercialization ofcolloidal quantum dot solar cells: perspective on device structures andmanufacturing. Energy & Environmental Science 2020.

DOI:10.1039/c9ee03348c

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee03348c#!divAbstract

2. Nano Energy: 15.2％效率！非肼溶液制备的黄铜矿太阳能电池的最高值

南京邮电大学Hao Xin，华盛顿大学David S. Ginger和新南威尔士大学Xiaojing Hao团队报道了通过在高Ar压力下将DMF前驱体溶液处理的前驱体膜硒化而获得的高效富铜富黄铜矿太阳能电池。研究表明，高压硒化可实现具有化学计量组成，光滑表面，高电导率和Cu_2-xSe自由晶界的高质量富铜黄铜矿吸光材料。

基于CuIn（S，Se）₂和Cu（In，Ga）（S，Se）₂ 的器件效率分别为14.5％和15.2％，这都是由非肼溶液制备的最佳性能的黄铜矿太阳能电池。该结果表明，高Ar压力硒化是制造高质量富Cu吸收剂的新策略，该吸光材料具有进一步提高黄铜矿太阳能电池效率的巨大潜力。

Highly Efficient Copper-Rich ChalcopyriteSolar Cells from DMF Molecular Solution，Nano Energy, 2019

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104438

3. JMCA: 钙钛矿太阳能电池不稳定性背后的隐藏驱动

二/三维(2D/3D)钙钛矿太阳能电池是目前流行的制备高效、稳定的器件策略。然而，2D/3D界面在控制长期器件行为方面的确切功能仍不清楚。近日，洛桑联邦理工学院MohammadKhaja Nazeeruddin、Giulia Grancini等人揭示了2D / 3D界面的动态结构突变：3D cage中的向2D层移动，充当离子清除剂。

如果结构稳定，则2D会物理地阻止界面处的离子移动，从而提高器件的稳定性。否则，2D会嵌入，动态地自动转换为准2D结构。 因此，二维组分的合理选择对控制2D/3D动力学和提高器件寿命起着决定性的作用，这为钙钛矿界面设计开辟了新的途径。

Nazeeruddin, M.K. Grancin, G. et al. Dynamical Evolution of the 2D/3D Interface: AHidden Driver behind Perovskite Solar Cell Instability. JMCA 2020.

DOI: 10.1039/C9TA12489F.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/c9ta12489f

4. 罗马二大Nano Energy: 晶体工程辅助混合阳离子/阴离子钙钛矿大面积制备

钙钛矿太阳能电池的性能受钙钛矿膜质量的直接控制，调控溶液加工的钙钛矿膜的结晶度和取向是一项基本挑战。罗马二大Aldo Di Carlo团队提出了一种可扩展的制造工艺，用于在环境大气条件下采用晶体工程（CE）方法对混合阳离子杂化钙钛矿（FA_1-x-yMA_xCs_y）Pb（I_1-xBr_x）₃进行异质外延生长。通过沉积过饱和的铅/铯离子溶液形成PbX₂^.2DMSO纯晶体中间相的光滑且介孔的薄膜。

动力学上快速的钙钛矿成核是通过快速将FAI和MABr插入中间层实现的。最后，通过Volmer-Weber晶体生长机制完成了异质外延钙钛矿的生长。所有层均在大气条件（相对湿度（RH）50-75％）下沉积，对于各种器件和模块尺寸均具有很高的重现性。通过CE方法，器件在小面积（0.1 cm²）上达到18.4％的效率，在大面积（1 cm²）上达到16.5％的效率，以及刮涂制备的模组的效率达到12.7％和11.6％，面积分别为17和50 cm²。

Solution-based Heteroepitaxial Growth ofStable Mixed Cation/Anion Hybrid Perovskite Thin Film under Ambient Conditionvia a Scalable Crystal Engineering Approach，Nano Energy, 2019

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104441

5. 金属所Nano Energy: 13.6％效率！氟化碳纳米管用于高效异质结太阳能电池

中国科学院金属研究所Peng-XiangHou和Chang Liu团队通过在室温下用二氟化氙对高质量的单壁碳纳米管（SWCNT）膜进行轻微氟化，进而在管壁上形成离子C-F键并控制纳米管的p型掺杂。氟化的SWCNT薄膜显示出改善的电子导电性和更高的功函。此外，氟化过程增加了SWCNT薄膜的面密度并降低了其表面粗糙度，从而导致它们与硅之间的界面接触更好。结果表明，使用轻氟化的SWCNT膜构造的异质结太阳能电池具有13.6％的高效率和优异的稳定性。

High-efficiency and stable siliconheterojunction solar cells with lightly fluorinated single-wall carbon nanotubefilms，Nano Energy,2019

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104442

6. Sol. RRL: 采用极性分子钝化钙钛矿缺陷

ZnO电子传输层（ETL）的固有特性将导致钙钛矿太阳能电池（PSC）中的严重电荷损失，例如由于电子提取能力低而在钙钛矿层中发生光生电荷积累复合，以及缺陷诱导的电荷复合，从而导致效率损失和器件滞后。

吉林大学的郭文斌、Weitao Zheng等人借助氧空位缺陷，将（2-氨基噻唑-4-基）乙酸（ATAA）的极性分子自组装到ZnO层上，形成了永久性界面偶极子，并 同时钝化缺陷状态。这些改进可以有效地增强电子提取能力并降低缺陷态密度。因此，基于ZnO-ATAA ETL的PSC产生的效率提高了19.74％，器件滞后明显降低。

Guo, W. Zheng, W. et al.Incorporating Polar Molecule to Passivate Defects for PerovskiteSolarCells. Sol. RRL. 2019.

DOI: 10.1002/solr.201900489

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/solr.201900489

7. JMCA: 22％！石墨化氮化碳掺杂的SnO₂助力高效稳定的钙钛矿太阳能电池

电荷传输层的能级对准和载流子迁移率对于平面异质结钙钛矿太阳能电池（PSC）中的电子提取和传输至关重要。近日，西安交通大学的吴朝新、HuaDong和青岛科技大学Jian Liu团队将碳氮化物改性的SnO₂纳米复合材料，SnO₂ /石墨碳氮化物（g-C₃N₄）量子点，设计为功能性电子传输层（ETL），以实现精确调节高性能PSC的界面电荷动力学。

研究结果表明，高导电性g-C₃N₄可以重铸邻近SnO2晶体单元周围的电子密度分布，从而有效消除氧空位减少的陷阱中心，并促进界面和体电子的传输。因此，该碳氮化物改性的SnO₂纳米复合材料表现出适当的电性能，合适的能级排列和高电导率。基于该ETL的平面异质结PSC的最高效率为22.13％，并具有长期的稳定性（在相对湿度为60％的情况下1500h之后，只有10％的PCE衰减）。该工作提供了一种混合ETL设计策略，以提高PSC的效率和稳定性。

Dong, H. Liu, J.Wu, Z. et al. Graphitic Carbon Nitride doped SnO₂ Enabling EfficientPerovskite Solar Cells Exceeding 22%. JMCA 2020.

DOI:10.1039/C9TA11344D

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/c9ta11344d

8. JMCA: 钙钛矿太阳能电池的先进密封是其商业化之路！

尽管钙钛矿太阳能电池（PSC）的转换效率取得了长足的进步，但其长期稳定性却引发了对其未来商业化的巨大担忧。PSC对湿度和温度敏感。密封对于PSC至关重要，不仅要防止PSC受外部环境的影响，还要避免电池中含Pb的材料泄漏出去。近日，波尔图大学Adélio Mendes等人开发了一种先进的激光辅助玻璃熔块封装方法来密封无HTM的PSC。

研究人员在恶劣的湿度和温度暴露测试环境条件下检查了激光密封器件的长期稳定性。根据IEC61646标准，密封的PSC已通过70个热循环（-40°C至85°C）和50 h湿热（85°C，85％RH）测试。在暴露于潮湿空气中（80±5％RH）的条件下，密封封装的PSC的功率转换效率保持500小时不变。非密封器件在大约50小时性能就出现了衰减。这项工作表明封装的气密性在潮湿环境下对器件的稳定性起着关键作用。因此，气密封装对于PSC的工业化至关重要。

Mendes, A. et al. Advancedhermetic encapsulation of perovskite solar cells: the route to commercialization.JMCA 2019.

DOI:10.1039/C9TA11907H

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/c9ta11907h

9. 南开大学AM: 23.24%效率！In₂O₃/SnO₂电子传输层助力高效稳定钙钛矿电池

具有适当的能量排列和增强的电荷转移能力的电子传输层（ETL）对于钙钛矿太阳能电池（PSC）至关重要。但是，界面能级不匹配会限制PSC的电气性能，特别是开路电压（V_OC）。南开大学的张晓丹团队开发了一种简单的经过低温处理的In₂O₃ / SnO₂双层ETL，并将其用于制造新的PSC器件。In₂O₃的存在可形成均匀，致密和低陷阱密度的钙钛矿薄膜。此外，In₂O₃的导带比Sn掺杂的In₂O₃（ITO）的导带要浅，从而增强了从钙钛矿到ETL的电荷转移，从而使钙钛矿和ETL界面处的V_OC损失最小。

获得效率为23.24％（认证效率为22.54％）的平面PSC。在仅0.36 V的电压下实现了1.17V的高VOC。相比之下，基于单个SnO₂层的器件在V_OC为1.13 V时达到21.42％的效率。此外，新器件在80°C后仍保持97.5％的初始效率。在没有封装的情况下，在氮气中连续光照下，180 h后仍保持其初始效率的91％。结果证明并为高效光伏器件的开发铺平了道路。

GradientEnergy Alignment Engineering for Planar Perovskite Solar Cells with EfficiencyOver 23%. Adv. Mater. 2020, 1905766. https://doi.org/10.1002/adma.201905766