太阳能电池前沿每周精选丨0603-0609

纳米人

2019-06-14

1. 黄维院士&陈永华Sol. RRL.：量子阱势垒控制DJ二维钙钛矿的取向和均匀分布

Dion-Jacobson（DJ）二维卤化物钙钛矿的研究得到了广泛关注。然而，关于量子阱（QW）势垒厚度的基本问题仍然是未知的，这对于设计有效的DJ相钙钛矿光伏电池是至关重要的。黄维院士和陈永华团队研究表明，QW阻隔厚度取决于具有不同链长的大体积有机铵间隔离子，例如1.3-丙二胺（PDA），1.4-丁二胺（BDA），1.5-戊二胺（PeDA）和1.6-六亚甲基二胺（ HDA），调控DJ二维钙钛矿的取向和均匀分布。基于PDA和BDA的DJ相钙钛矿具有合适的QW阻挡层厚度，其具有优异的取向和更均匀的QW分布，允许平滑的带隙转变，更长的载流子扩散长度，更高的电荷迁移率和更低的缺陷密度。相反，具有较厚QW屏障的PeDA和HDA导致较低的取向和多个DJ钙钛矿相。基于PDA和BDA的DJ相钙钛矿光伏器件的效率分别为14.16％和16.38％，而PeDA和HAD对应的器件效率分别为12.95％和10.55％。

Zheng, Y. , Niu, T. , Qiu, J. , Chao, L. , Li, B. , Yang, Y. , Li, Q. , Lin, C. , Gao, X. , Zhang, C. , Xia, Y. , Chen, Y. and Huang, W. Oriented and Uniform Distribution of Dion–Jacobson Phase Perovskites Controlled by Quantum Well Barrier Thickness. Sol. RRL. 2019

Doi:10.1002/solr.201900090.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/solr.201900090

2. 黄维院士团队Sol. RRL.综述：双结钙钛矿串联太阳能电池：最新进展和前景

基于金属卤化物钙钛矿的太阳能电池已经实现了高达24.2％的认证效率。然而，它仍然远低于Shockley-Quiesser极限（33.16％）。串联太阳能电池由两个具有互补吸收的子电池组成，结合1.9 eV/1.0 eV带隙的两个子电池，可以达到42％的最大效率。基于钙钛矿的串联太阳能电池具有巨大潜力。西北工业大学的黄维院士、Lin Song和南京工业大学陈永华等人重点介绍了基于钙钛矿的串联太阳能电池的现状和最新进展，包括钙钛矿-硅，钙钛矿-钙钛矿和钙钛矿-铜铟镓硒（CIGS）集成。讨论了不同的结构，关于光电特性的关键问题，当前的效率限制和材料设计。还分析了钙钛矿带隙优化，界面工程和复合层的关键作用，以概述未来的发展规划。还提供了当前具有挑战性的问题和未来前景。希望这些研究能为基于钙钛矿的串联太阳能电池提供新的前景和商业化的机会。

Hu, Y. , Song, L. , Chen, Y. and Huang, W. Two‐Terminal Perovskites Tandem Solar Cells: Recent Advances and Perspectives. Sol. RRL. 2019

Doi:10.1002/solr.201900080.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/solr.201900080

3. Michael Grätzel最新Science Adv.：22.09%效率，3D/2D钙钛矿电池最高值！

Michael Grätzel团队引入二维（2D）A₂PbI₄钙钛矿层，其使用五氟苯基乙基铵（FEA）作为氟代芳烃阳离子插入3D钙钛矿薄膜和空穴传输材料（HTM）之间。全氟化苯部分赋予间隔层超疏水特性，保护钙钛矿层免受环境湿气的影响，同时减轻器件中的离子扩散。未密封的3D/2D 钙钛矿太阳能电池在模拟阳光和潮湿空气中，保持90％的效率超过1000小时。而且，2D层还增强了界面空穴提取，抑制了非辐射载流子复合，并使其效率超过 22％，这是3D/2D结构最高值。

Ultrahydrophobic 3D/2D fluoroarene bilayer-based water-resistant perovskite solar cells with efficiencies exceeding 22%. Science Advances

DOI: 10.1126/sciadv.aaw2543.

https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw2543

4. Nano Energy：碳量子点混合材料，提高钙钛矿太阳能电池性能

加拿大国家研究院Federico Rosei，国立交通大学Eric Wei-Guang Diau和瑞典吕勒奥理工大学Alberto Vomiero报道了碳量子点(Cdots)在高性能倒置平面异质结（PHJ）钙钛矿太阳能电池（PSC）中的集成效应。使用Cdots来修改平面PSC器件中的空穴传输层。通过在氧化石墨烯（GO）上引入Cdots作为空穴传输层，PSC的效率可达16.2％。当在UV范围内用碳点作为降档层时，器件性能进一步提高，最大效率达到16.8％，稳定性也有提升。在存在Cdots的情况下，更有效地提取空穴并将其转移到导电基底，从而延迟电荷复合。

Benetti, D. et al. Hole-extraction and photostability enhancement in highly efficient inverted perovskite solar cells through carbon dot-based hybrid material. Nano Energy, 2019

Doi:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.05.084.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519304902

5. EES：15.37%，三元有机太阳能电池的最高效率

三元有机太阳能电池（OSC）在改善单结OSC的光伏性能方面显示出巨大潜力。香港科技大学Tao Liu、武汉大学Chuluo Yang、香港中文大学Xinhui Lu和中科院化学所Chuanlang Zhan等人采用PM7：ITC-2Cl作为主体系统，超低带隙受体IXIC-4Cl作为第三组分，制备一系列三元OSC，活性层吸收可达1000 nm。最佳三元OSC的效率（PCE）为15.37％，明显高于基于PM7：ITC-2Cl的13.72％）或PM7：IXIC-4Cl（12.01％）。优异性能主要归因于增加的短路电流（J_SC），其主要源于第三组分的互补吸收，因此总体上扩大的吸收范围。此外，在PM7：ITC-2Cl中添加IXIC-4Cl二元系统抑制双分子复合，改善电荷解离和收集效率，平衡电荷传输并减小结构域尺寸，这是增强的J_SC的原因。值得注意的是，优化的三元器件显示PCE超过15％，能量损失非常小，为0.42 eV，这是迄今为止三元OSC的最高效率。

Liu, T. et al. A Nonfullerene Acceptor with 1000 nm Absorption Edge Enables Ternary Organic Solar Cells with Improved Optical and Morphological Properties and Efficiencies over 15%. Energy Environ. Sci., 2019

Doi:10.1039/C9EE01030K.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee01030k#!divAbstract

6. Joule：无锗外延生长GaAs，制备14.44％效率的太阳能电池

III-V材料的太阳能电池具有出色的效率和功率密度。然而，III-V电池的使用受到高生产成本的阻碍，这部分源于用于III-V材料生长的昂贵基底。韩国科学技术院Jihun Oh和美国国家可再生能源实验室David L. Young提出了一种无锗（GON）技术，即超薄外延式单晶Ge膜，即在氢气退火过程中采用阵列多孔Ge的形态演化。与以前的多孔Ge研究相比，该工艺明显地改善了Ge的重整表面，因此可以实现GaAs的低缺陷密度异质外延。基于GON的GaAs太阳能电池获得了14.44％效率，其开路电压几乎与在体相Ge上生长的对照电池相同。

Sanghyun Park, John Simon, Kevin L. Schulte, Aaron J. Ptak, Jung-Sub Wi, David L. Young, Jihun Oh. Germanium-on-Nothing for Epitaxial Liftoff of GaAs Solar Cells. Joule, 2019

DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.05.013.

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30256-9?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2542435119302569%3Fshowall%3Dtrue

7. 廖良生&杨阳AM：极化铁电聚合物，用于高性能钙钛矿太阳能电池

在杂化卤化铅钙钛矿太阳能电池中，能量损失与钙钛矿层和界面中的非辐射复合息息相关。苏州大学廖良生、王照奎和UCLA杨阳教授通过铁电聚合物的内部掺杂和电场的外部控制的组合，开发了一种简单有效的策略来改善钙钛矿太阳能电池的性能。首先将一组极化铁电（PFE）聚合物掺杂到MAPbI₃层，这不仅改善MAPbI₃的结晶，而且调节电池中的非辐射复合。PFE聚合物掺杂使得MA⁺阳离子有序排列，减少陷阱态，优选多晶钙钛矿膜的生长取向。此外，将PFE插入钙钛矿和空穴传输层之间以增强内建场（BIF），通过电池中加宽的耗尽区而得到增强。作为界面偶极层，PFE聚合物在增加BIF中起关键作用。因此，组装的电池的开路电压为1.14 V，效率为21.38％。

Zhang, C.‐C., Wang, Z.‐K., Yuan, S., Wang, R., Li, M., Jimoh, M. F., Liao, L.‐S., Yang, Y., Polarized Ferroelectric Polymers for High‐Performance Perovskite Solar Cells. Adv. Mater. 2019, 1902222.

https://doi.org/10.1002/adma.201902222

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902222#

8. Angew：廉价的空穴传输层，助力高效稳定的钙钛矿太阳能电池

苏黎世联邦理工学院Mohammad Khaja Nazeeruddin团队报道了三种廉价、新型基于Tröger’s Base 衍生物的烯胺空穴传输材料（HTM）。性能最佳的HTM3材料在钙钛矿太阳能电池（PSC）中显示出了18.62％的效率，并且非封装器件显示出优异的长期稳定性。在无掺杂剂的PSC中，HTM3的性能比Spiro-OMeTAD高1.6倍。HTM3的高玻璃化转变温度（Tg = 176 ℃），也表明其在器件应用中有巨大潜力。

Nazeeruddin, M. ., Braukyla, T. , Xia, R. , Daskeviciene, M. , Malinauskas, T. , Gruodis, A. , Jankauskas, V. , Roldán-Carmona, C. , Momblona, C. , Getautis, V. , Fei, Z. and Dyson, P. . (2019), Inexpensive Hole Transporting Materials Derived from Tröger’s Base Afford Efficient and Stable Perovskite Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed.. 2019

Doi:10.1002/anie.201903705.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201903705

9. Adv. Mater. Interfaces：Me₄NBr钝化助力高效稳定Pb-Sn基钙钛矿太阳能电池

锡铅（Sn-Pb）基复合钙钛矿太阳能电池可延长光吸收光谱范围和减少钙钛矿材料中铅引起的环境危害的潜在解决方案。 尽管如此，由于锡的不稳定性，与铅基钙钛矿太阳能电池相比，基于锡铅的钙钛矿太阳能电池遭受更严重的效率降低，这限制了其进一步发展。 近日，北京大学深圳研究生院 Hang Zhou研究团队引入季铵卤化物Me4NBr以钝化基于Sn-Pb的钙钛矿表面。 Me4NBr有效地减少了表面缺陷，提高了Sn-Pb基钙钛矿太阳能电池的开路电压和填充因子。 此外，与未处理的Sn-Pb钙钛矿电池相比，Me4NBr处理的Sn-Pb钙钛矿电池也显示出显著的稳定性增强。

Du, X. Zou, H. et al. Enhanced Uniformity and Stability of Pb–Sn Perovskite Solar Cells via Me₄NBr Passivation.

DOI:10.1002/admi.201900413

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/admi.201900413

10. 黄维院士&陈永华ACS Energy Lett.：最高效率Sn基2DRP钙钛矿太阳能电池

2D Ruddlesden-Popper（2DRP）锡（Sn）基钙钛矿太阳能电池（PSC）由于其低毒性和改善的稳定性在推进钙钛矿基光伏器件的商业化方面发挥着不可替代的作用。然而，由于不完全取向的晶体生长和较差的薄膜形貌，2DRP Sn PSC的效率没有取得突破，这受到复杂和不可控结晶过程的限制。近日，南京工业大学黄维院士和陈永华研究团队在2DRP Sn钙钛矿中引入混合间隔有机阳离子[正丁胺（BA）和苯乙胺（PEA）]来控制结晶过程。研究发现当BA +和PEA +共同形成[（BA0.5PEA0.5）2FA3Sn4I13] 2DRP钙钛矿时，可有效抑制了阻碍晶体均匀有序成核的中间相，从而实现了高质量的薄膜形貌。并改善了晶体取向。受益于它，器件的功率转换效率（PCE）提高到8.82％，这是目前2DRP Sn PSC中最高的一个。

Qiu, J. Chen, Y. Huang, W. et al. 2D Intermediate Suppression for Efficient Ruddlesden-Popper (RP) Phase Lead-Free Perovskite Solar Cells. ACS Energy Lett. 2019.

DOI:10.1021/acsenergylett.9b00954

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsenergylett.9b00954

11. Nature Commun.：16.5％转换效率！氯化受体助力高性能有机太阳能电池

通过增强分子内推挽效应来扩大有机光伏（OPV）材料的光吸收是提高OPV电池的功率转换效率的有效的方法。然而，就电子受体而言，最常见的卤化分子设计策略通常导致降低的分子能级，从而导致器件中的开路电压降低。近日，中国科学院化学研究所高分子与化学实验室Huifeng Yao团队报道了氯化非富勒烯受体，其表现出扩展的光学吸收，同时显示出比其在器件中的氟化对应物更高的电压。这种现象可归因于减少的非辐射能量损失（0.206 eV）。由于同时改善的短路电流密度和开路电压，器件实现了16.5％的高效率。这项研究表明，精细调整OPV材料以降低带隙电压偏移具有提高效率的巨大潜力。

Cui, Y. Yao, H. et al. Over 16% efficiency organic photovoltaic cells enabled by a chlorinated acceptor with increased open-circuit voltages. Nat. Commun. 2019.

DOI:10.1038/s41467-019-10351-5

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10351-5