光伏周刊丨李玉良, 黄劲松, Mitzi, Sargent, 刘生忠, 宋延林, 谭海仁, 酒同钢​等最新成果14篇

纳米人

2020-02-17

1. AFM:核-壳Au @ CdS纳米球的晶界和界面钝化助力高效钙钛矿太阳能电池

核-壳纳米材料的等离子体特性可以有效地改善激子的产生/解离和载流子的转移/收集。鉴于此，武汉工程大学PingliQin和Liang Ma团队引入了一种基于核-壳Au @ CdS纳米球的新策略，可通过反溶剂工艺钝化钙钛矿晶界（GBs）和钙钛矿/空穴传输层界面。这些核-壳Au @CdS纳米颗粒可通过形成中间Au @ CdS–PbI₂复合物来触发高质量钙钛矿薄膜前驱体的异质形核，这同时也会降低Spiro-OMeTAD的价带，从而能够与钙钛矿材料具有更合适能级对齐。

此外，通过Au@ CdS的局部表面等离子体共振效应，空穴可以通过中间Au @ CdS–PbI₂轻松克服钙钛矿/Spiro-OMeTAD界面（或GBs）处的势垒，避免了载流子积累，并抑制Spiro-OMeTAD /钙钛矿界面处的载流子陷阱复合。基于Au @ CdS的钙钛矿太阳能电池可实现了21％以上的高效率，并在干燥空气中存放45天后仍然具有约90％初始效率，稳定性能优异！

Qin, P. Ma, L. et al. Grain Boundary and Interface Passivationwith Core–Shell Au@CdS Nanospheres for High‐Efficiency Perovskite Solar Cells. AFM 2020.

DOI:10.1002/adfm.201908408

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201908408

2. AM综述：对高效有机光伏电池的设计原则以及氯化对共轭主链的协同效应的重点综述

对低成本、灵活、轻便的可再生能源的追求引发了有机太阳能电池(OSCs)的显著进步。在为合成OSCs的高效共轭电子给体(ED)或受体(EA)单元而开发的成功设计原则中，氯化反应最近成为一种可靠的方法，尽管多年来一直被忽视。事实上，最近的几项研究表明，在大规模生产中，氯化反应比高度研究的氟化反应在某些方面更加有效，如：简单和低成本的合成材料，降低能量水平，容易调优的分子取向以及形态，从而实现了令人印象深刻的OSCs电力转换效率，高达17%。

韩国建国大学的DooKyung Moon团队总结了最新的光伏的进展，实现了将氯化的ED或EA加入到OSCs中，以认识到这种有趣的取代基在光活性材料中的优缺点。此外，还介绍了氯化材料在所有小分子、半透明、串联、三元、单组分和室内等方面OSCs的应用。因此，对氯化或EA装置的未来设计和开发提供了简明的展望，这将有助于利用这种方法实现低成本和大面积OSCs的目标。

GururajP. Kini, Sung Jae Jeon, and Doo Kyung Moon. Design Principles and SynergisticEffects of Chlorination on a Conjugated Backbone for Efficient OrganicPhotovoltaics: A Critical Review. Adv. Mater. 2020.

DOI:10.1002/adma.201906175

https://doi.org/10.1002/adma.201906175

3. Mitzi最新JMCA: Cs₂TiBr₆是一种用于太阳能电池有前途的无铅钙钛矿？

为了寻求适合太阳能应用的无铅钙钛矿，最近报道了一种有前途的化合物, 即Cs₂TiBr₆，其具有合适的光学和电学性质以及在环境压力下的高稳定性。杜克大学David B.Mitzi团队对这种化合物进行了研究，通过溶液合成证明了相纯的Cs₂TiBr₆粉末的形成，并提供了互补的实验表征和理论计算。

作者提取了约2.0eV的实验吸收开始值，并测量了较弱的宽光致发光，接着密度泛函理论解释了弱和斯托克斯位移发光。此外，作者重点强调了Cs₂TiBr₆粉末在环境大气中非常不稳定性，对Cs₂TiBr₆应用在太阳能电池上提出了质疑。

Mitzi, D. B. et al. Is Cs₂TiBr₆ apromising Pb-free perovskite for solar energy applications? JMCA 2020.

DOI:10.1039/C9TA13870F.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta13870f#!divAbstract

4. AM:17.3％效率！氯官能化的石墨炔助力二元有机太阳能电池

有机太阳能电池（OSC）中混合膜的形貌调整是提高器件效率的关键方法。将固态添加剂作为实现形貌调整是一种简单而新的方法。但是，相关报道很少能够满足这种期望。华盛顿大学Ke Gao和中国科学院的酒同钢、 李玉良团队首次成功地将氯官能化的石墨炔（GCl）用作多功能固体添加剂微调其形貌，并首次提高了器件效率和生产率。与对照组的15.6％效率相比，基于GCl的器件获得了创纪录的17.3％效率，其中认证效率为17.1％；与此同时，短路电流（Jsc）和填充系数（FF）进一步增加，是目前最先进的二元有机太阳能电池。

研究发现，膜吸收的红移，增强的结晶度，显著的相分离，改善的迁移率和降低的电荷复合，协同作用是Jsc和FF的增加。此外，由于GCl的非挥发性，因此添加GCl可以大大减少批次间的差异，从而有利于批量生产。所有的这些结果证实了GCl可以有效增强器件的性能，GCl可作为多功能固体添加剂在OSC领域中得到广泛应用。

Gao, K. Jiu, T. Li, Y. et al. Graphdiyne Derivative asMultifunctional Solid Additive in Binary Organic Solar Cells with 17.3%Efficiency and High Reproductivity. AM 2020.

DOI:10.1002/adma.201907604

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907604

5. 刘生忠AFM:16.79％效率！可控n掺杂实现稳定的CsPbI₂Br钙钛矿电池

CsPbI₂Br钙钛矿因其优异的光电性能和出色的热稳定性成为光伏应用领域有希望的候选者。但是，CsPbI₂Br钙钛矿太阳能电池（PSC）的效率仍然低于杂化PSC和全无机CsPbI₃ PSC的功率转换效率。近日，陕西师范大学刘生忠和Zhike Liu团队向CsPbI₂Br中添加CaCl₂进行钝化和n型掺杂，提高了CsPbI₂Br钙钛矿膜的结晶度，减小了陷阱密度，还改变了CsPbI₂Br的费米能级。

基于CaCl₂优化的CsPbI₂Br PSC显示出1.32 V的最高开路电压和16.79％的效率。同时，在空气中经过1000多个小时的老化后仍具有90％的初始效率，显示出较高的空气稳定性。

Liu, Z. Liu, S. et al. Controlled n‐Doping in Air‐StableCsPbI2Br Perovskite Solar Cells with a Record Efficiency of 16.79%. AFM 2020.

DOI:10.1002/adfm.201909972.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909972

6. Sargent&谭海仁AM：2D钙钛矿提高混合锡-铅钙钛矿电池的性能

窄带隙(Eg≈1.2 eV)混合锡-铅(Sn-Pb)卤化物钙钛矿的发展使得全钙钛矿串联太阳能电池成为可能。尽管纯卤化铅钙钛矿太阳能电池(PSCs)在效率和稳定性方面同时取得了进步，但在Sn-Pb太阳能电池中实现这一关键结合仍然是一个挑战。基于此，南京大学谭海仁、多伦多大学Edward H. Sargent团队提出一种将Sn-Pb钙钛矿颗粒与超薄层钙钛矿结合的方法，可以克服效率-稳定性之间的权衡。

通过在反溶剂中直接引入苯乙铵配体来实现钙钛矿膜表面和晶界处的缺陷钝化，这不仅改善了器件的工作稳定性，还避免了阻碍电荷传输的层状钙钛矿的过度形成。Sn-Pb PSCs的填充系数为79％，认证的能量转换效率（PCE）为18.95%，是目前报道的Sn-PbPSCs中的最高值。使用该方法组装成的器件，在AM1.5G全光照射下，与未钝化的Sn-Pb PSC相比，其工作寿命可以提高200倍，此外，在经过滤波的AM1.5G照明下，仍可以实现长达200小时的工作时间，而性能不会下降。

CombiningEfficiency and Stability in Mixed Tin–Lead Perovskite Solar Cells by Capping Grains with an Ultrathin 2DLayer. Advanced Materials. 2020

DOI: 10.1002/adma.201907058.

https://doi.org/10.1002/adma.201907058

7. Nano Energy：降低缺陷水平和提取剥离电荷，以稳定高效和无滞后钙钛矿光伏器件

钙钛矿材料是高效光电应用的理想材料。然而，钙钛矿晶体的高离子特性会在器件运行过程中引发钙钛矿内部形成缺陷，不利于器件的性能和长期稳定性。在此，新加坡高性能计算研究所Zhi Gen Yu和新加坡国立大学Hao Gong团队提出了一种策略，通过引入一个超薄的二维WS₂夹层来引导范德华准外延钙钛矿生长，实现了降低缺陷水平并同时促进钙钛矿薄膜中剥离电荷的提取。各种光电表征和DFT计算清晰地表明，2D WS₂抑制了钙钛矿内部的天然缺陷形成，同时也降低了钙钛矿内部的深层缺陷。

此外，2D WS₂夹层可以迅速提取剥离电荷，以减少界面复合。因此，倒置的平面钙钛矿太阳能电池实现了，最大的转化效率为20.92%，V_oc和FF显著提高，以及优异的水分稳定性(超过20天仍保持90%)。这一工作启发了研究者们对二维材料高效稳定的钙钛矿光伏器件的深入理解，有助于基于钙钛矿/2D异质结器件的发展。

ShallowDefects Levels and Extract Detrapped Charges to Stabilize Highly Efficient andHysteresis-Free Perovskite Photovoltaic Devices, Nano Energy, 2020

DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104556.

 https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104556

8. AFM：与电致变色超级电容器单片集成的半透明储能功能光伏

可以同时收集和存储太阳能的储能功能光伏被认为是有前景的下一代多功能能源系统。韩国庆熙大学Doo‐Hyun Ko和韩国首尔大学HongChul Moon团队为了扩展传统的有机光伏（OPV），将电致变色超级电容器（ECS）与基于半透明（ST）的四元共混物有机光伏（ST Q-OPV）进行单片集成，以实现紧凑，节能的新一代存储系统并具有极佳的美学吸引力。

具有低功耗ECS的ST Q-OPV甚至在低强度辐照下（包括人造室内光的情况下）也可以完全运行，从而为全天的能源供应展现了潜力。ST储能功能光伏电池还可以通过消耗充电功率来充当外部电子设备（例如发光二极管和物联网传感器节点）的备用电源。除了具有丰富的应用场景，颜色可调性，各种形状的设计的可行性，快速充放电以及存储容量的实时显示等功能外，ST储能功能性光伏电池还可以应用在电子设备中例如高级智能窗户或便携式智能电子产品。

SemitransparentEnergy‐StoringFunctional Photovoltaics Monolithically Integrated with ElectrochromicSupercapacitors, Adv. Func. Mater. 2020

DOI:10.1002/adfm.201909601.

https://doi.org/10.1002/adfm.201909601

9. 黄劲松JACS：CdI₂降低表面缺陷！21.9％效率！1.2 V的钙钛矿太阳能电池

基于碘基的钙钛矿太阳能电池（PSC）可实现较小的带隙和高性能。然而，已广泛显示在热退火过程中由其蒸发形成的膜表面上存在大量碘空位，会引起深层缺陷，引起非辐射电荷复合并引起光电流滞后，所有这些都限制了PSC的效率和稳定性。

黄劲松团队用碘化镉（CdI₂）修饰钙钛矿薄膜的缺陷表面可有效降低表面碘缺乏的程度，并通过形成强Cd-I离子键来稳定碘离子。这极大地降低了界面电荷的复合损失，对于开路电压为1.20 V的刮涂制备的PSC而言，效率高达21.9％，对应于创纪录的0.31 V的小电压损失。CdI₂表面处理还改善了工作性PSC的稳定性，在1个太阳强度下持续照明1000小时后，仍保持92％的效率。

ReducingSurface Halide Deficiency for Efficient and Stable Iodide-Based PerovskiteSolar Cells，J. Am. Chem. Soc. 2020

https://doi.org/10.1021/jacs.9b13418

10. MIT最新Joule: 钙钛矿光伏制造业的经济可持续增长

光伏制造的巨额资本支出使新的电池和模块技术难以进入市场。麻省理工学院Ian Mathews团队提出了两个技术经济模型，用于分析R2R单结技术和钙钛矿-硅串联模组的钙钛矿制造的可持续增长。重点是规模经济和平均售价对盈利能力的影响。对于工厂生产的柔性模组，研究人员将成本范围定在3.30 美元/瓦至0.5 3美元/瓦之间，范围从0.3 MW/年至1GW/年。

此外，对制造串联模组的成本进行了建模，并展示了现有制造商如何通过共同投资于串联模组，可以更快地增长。该分析突出了钙钛矿光伏产品的潜在市场途径，以及即使在劳动力价格较高的市场中，可持续发展光伏制造公司的可能性。

EconomicallySustainable Growth of Perovskite Photovoltaics Manufacturing，Joule，2020

Doi.org/10.1016/j.joule.2020.01.006.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120300337

11. 宋延林&张懿强Angew.：6.43％效率！DJ相，稳定的锡基钙钛矿太阳能电池

低维锡基钙钛矿具有出色的抗氧化性和耐湿性，在无铅钙钛矿光伏器件中起着不可替代的作用。中科院化学所的宋延林和郑州大学的张懿强团队将1,4-丁二胺（BEA）掺入FASnI₃中，开发了一系列新的（BEA）FA_n-1Sn_nI_3n+1的低维Dion-Jacobson（LDDJ）相无铅钙钛矿。（BEA）FA₂Sn₃I₁₀带隙的宽度似乎受到由于高对称性引起的结构变形的轻微影响。

BEA配体的引入稳定了低维锡基钙钛矿的结构（形成能≈10⁶ j/ mol），从而抑制了Sn²⁺的氧化。此外，（BEA）FA₂Sn₃I₁₀薄膜的电子和空穴的扩散长度分别超过450和340 nm。基于BEA）FA₂Sn₃I₁₀的太阳能电池可实现6.43％的最佳效率（PCE），且回滞可忽略不计。这些器件可以在1000小时后保留其初始PCE的90％以上（FASnI₃器件仅有<60％）。

Low‐Dimensional Dion‐Jacobson Phase Lead‐free Perovskites forHigh‐Performance Photovoltaic with Improved Stability,Angew., 2020

https://doi.org/10.1002/anie.202000460

12. Nano Energy: 基于2D/1D/2D夹层电极的高效半透明钙钛矿电池

钙钛矿太阳能电池（PSC）已经成为解决可加工半透明（ST）和柔性光伏的有前途的候选者。但是，溶液处理兼容的透明电极（TE）仍然是高效，稳定ST-PSC的主要障碍之一。鉴于此，武汉理工大学Fuzhi Huang, Jie Zhong和湖北文理学院Guijie Liang团队使用可溶液处理的一维和二维材料构造了一个三明治式顶部透明电极。组装后的2D石墨烯与可控的还原电极和1D银纳米线（AgNWs）电极对载流子的收集和器件的稳定性做出了重要贡献。夹层电极可以抑制碘离子迁移，减轻了水，氧气，碘等对TE的腐蚀。

未封装的ST-PSC器件的稳定性已显著提高。基于高性能单结ST-PSC，效率高达14.69％，可见光的透射率超过20％，近红外线的透射率超过59％。因此，通过开发与打印兼容的2D/1D/2D TE，可以进一步提高全解决方案处理的ST-PSC的性能，并有可能应用于低成本的建筑集成光伏，串联和便携式电子设备。

Self-augmentedion blocking of sandwiched 2D/1D/2D electrode for solution processed highefficiency semitransparent perovskite solar cell, Nano Energy, 2020

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104567

13. 北京师范Angew: 钝化和消除间隙缺陷，延长含碱金属的卤化钙钛矿中的载流子寿命

诸如卤化物间隙的缺陷充当电荷复合中心，导致卤化物钙钛矿的降解，并为应用这些材料造成主要障碍。碱金属掺杂剂极大地改善了钙钛矿的性能。北京师范大学Run Long 团队利用绝对非绝热分子动力学，证明了碱金属带来的有利的影响。

在存在碱金属掺杂剂的情况下，卤化物间隙的形成能最多增加四倍，因此缺陷浓度降低。当存在缺陷时，碱金属会牢固地与其结合。卤化物的间隙隙会引入中间能隙状态，从而迅速俘获电荷载流子。碱消除了陷阱状态，有助于维持高电流密度。除电荷捕获外，间隙可加速电荷复合。通过钝化间隙，碱金属离子可使载流子的寿命比无缺陷的钙钛矿长七倍，比有缺陷的钙钛矿长三十倍。

ExtendingCarrier Lifetimes in Lead Halide Perovskites with Alkali Metals by Passivatingand Eliminating Halide Interstitial Defects, Angew, 2020

https://doi.org/10.1002/anie.201911615

14. 李剑锋Nano Energy：水中稳定分散! 厉害的钙钛矿纳米晶

铅卤钙钛矿纳米晶（LPH-NCs）具有优异的发光性能，然而其本征离子盐性质，导致其光、热、极性条件下稳定性较差（特别是极性稳定性），限制了其实际应用范围。如何制备具有良好稳定性的LPH-NCs，尤其是可水中分散的LPH-NCs是当前研究的热点，亦是重难点之一。

鉴于此，厦门大学李剑锋团队开发了一种孔道限域-壳层隔绝双重保护钙钛矿纳米晶的普适性合成方法，该方法通过将LPH前驱体灌注于介孔硅中，然后通过加热退火在介孔硅孔道内原位生长LPH-NCs，基于孔道限域作用，所得到的LPH-NCs展现出良好的光学性能；随后，得益于介孔硅表面丰富的-OH，可提供良好的Al₂O₃成核位点，研究人员通过原子沉积技术在介孔硅表面可控沉积致密的Al₂O₃壳层，该壳层可有效隔绝环境对LPH-NCs的影响。得到的mSiO₂-CsPbBr₃@AlO_xNCs在水中可稳定分散90天以上，且可有效屏蔽离子交换作用，极大地提高了LPH-NCs的稳定性，有助于进一步拓宽LPH-NCs的实际应用范围。

UltrastableMonodispersed Lead Halide Perovskite Nanocrystals Derived from InterfacialCompatibility, Nano Energy. 2020

DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104554.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104554