【虚拟专辑】钙钛矿材料(202409)

基于挥发性溶剂制备MAPbI₃钙钛矿太阳能电池/模组

周泽铸, 梁子辉, 李静, 吴聪聪

无机材料学报    2024, 39 (11): 1197-1204.

制备大面积、高效率的钙钛矿太阳能电池模组(PSM)是钙钛矿太阳能电池(PSCs)产业化的关键步骤。使用挥发性溶剂的钙钛矿前驱体溶液在形成液膜后, 溶剂可以迅速自行蒸发, 无需添加反溶剂、退火等后处理过程, 极大简化了工艺流程, 更加适合工业化生产。然而, 挥发性溶剂体系制备的钙钛矿薄膜结晶速率过快, 生成的钙钛矿晶粒尺寸偏小, 且薄膜的缺陷态密度较高, 这造成制备的器件效率和稳定性较差。本研究设计了一种由甲胺/乙腈(MA/ACN)组成的挥发性溶剂体系, 制备了MAPbI3钙钛矿太阳能电池/模组, 并在钙钛矿前驱体溶液中添加了适量的PbCl2, 用于延缓结晶并钝化晶界缺陷。使用这种方法制备的0.06 cm2小面积器件的光电转换效率(PCE)最高达到21.21%, 并且稳定性较好, 基于此工艺制备的钙钛矿太阳能电池模组的PCE达到18.89%。本研究为钙钛矿太阳能电池的大规模工业化生产提供了一种新的思路。

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Pb²⁺对掺杂硼硅酸盐玻璃中CsPbBr₃钙钛矿量子点发光性能的影响

岳仔豪, 杨小兔, 张正亮, 邓瑞翔, 张涛, 宋力昕

无机材料学报    2024, 39 (4): 449-456.

硼硅酸盐玻璃包覆钙钛矿CsPbBr3量子点(PQDs@glass)能够大幅提高PQDs的稳定性, 使其在LED照明和显示技术中拥有广泛的应用空间。然而, 玻璃包覆的同时也导致了PQDs发光强度与量子产率降低。本工作为提高其发光强度探讨了热诱导温度及Pb2+的含量对PQDs@glass结构的影响，当热诱导温度为460 ℃，Pb2+浓度为6 mol时，其发光强度最高。研究发现，Pb2+浓度的增加会导致玻璃网状结构的致密化，改变玻璃组分的扩散行为，影响PQDs的析晶过程，导致PQDs@glass发光强度的变化。本工作得到量子产率高达95.6%的PQDs@glass，并实现了硼硅酸盐玻璃基质内PQDs的尺寸可控制备。结果表明, PQDs尺寸分布在10 nm左右, 超过86%的颗粒尺寸在6~14 nm内, 且具有优越的稳定性, 经历10次室温至200 ℃热循环后, 发光强度仍能保持初始强度的98.9%。最后, 为了验证其在LED照明及显示领域的应用, 将制备的量子点微晶玻璃粉料与二甲基硅氧烷(PDMS)混合, 得到的LED器件性能优异, 色域范围覆盖110% sRGB。本研究为PQDs@glass的大规模制备及其在LED器件领域的应用奠定了基础。

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钙钛矿太阳能电池纳米纤维改性电子传输层研究

肖梓晨, 何世豪, 邱诚远, 邓攀, 张威, 戴维德仁, 缑炎卓, 李金华, 尤俊, 王贤保, 林俍佑

无机材料学报    2024, 39 (7): 828-834.

二氧化锡(SnO2)由于具有高透光率、高电子迁移率、良好的紫外稳定性以及可低温加工等优势, 作为电子传输材料在钙钛矿太阳能电池(PSC)中得到广泛应用。然而, 用商业胶体溶液制备的SnO2电子传输层仍然存在易团聚、缺陷多、能级不匹配等问题, 限制了器件性能和稳定性。本研究将一种高分子甲壳素纳米纤维(1,2-二苯甲酰氧基苯基甲壳素, DC)引入到SnO2前驱液中来改善SnO2薄膜质量, 系统研究了DC对前驱液、薄膜和器件性能的影响。实验结果表明, DC添加剂能够有效抑制纳米颗粒团聚, 使前驱液分散得更均匀。改善后的SnO2薄膜的粗糙度更小, 能更好地被钙钛矿溶液浸润, 有利于SnO2与钙钛矿层形成更紧密的接触。同时, SnO2薄膜中的氧空位缺陷被有效钝化, 缺陷占比降低至30%, 进一步提升了薄膜质量。改进后SnO2电子传输层与钙钛矿层的能级匹配性更好, 载流子提取和传输性能得到优化。DC改性后的PSC性能得到显著提升, 最优器件的光电转换效率达到19.11%。本工作不仅解决了SnO2电子传输层在制备过程中的团聚问题, 而且为提高PSC能提供了理论指导与方法。

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有机-无机共添加增强柔性钙钛矿太阳能电池机械弯曲及环境稳定性能

陈甜, 罗媛, 朱刘, 郭学益, 杨英

无机材料学报    2024, 39 (5): 477-484. 

近年来, 钙钛矿太阳能电池发展迅速, 其光电转换效率(Power Conversion Efficiency, PCE)已经提高到26.1%, 但是柔性钙钛矿太阳能电池(Flexible Perovskite Solar Cells, F-PSCs)的机械弯曲和环境稳定性仍然是其商业化的主要障碍。本研究通过添加琼脂糖(Agarose, AG)以改善薄膜的质量和结晶性能, 系统探究了AG对钙钛矿的作用机理, 组装成的F-PSCs的PCE和机械弯曲及环境稳定性能。研究发现当AG添加浓度达到最优值3 mmol/L时, 薄膜表面变得更为致密平滑, 钙钛矿结晶度和吸光度增加。此时器件的陷阱态密度降到最低, 电荷传输电阻低至2191 Ω, 光电性能达到最佳, PCE由15.17%提升至17.30%。进一步引入TiO2纳米颗粒(0.75 mmol/L), 与AG(3 mmol/L)共同作用, 可以提供刚性骨架结构, 增强钙钛矿层的机械性能和环境稳定性。循环弯曲1500次(半径为3 mm)后, AG/TiO2共添加器件可保持初始PCE的84.73%, 远高于空白器件的9.32%; 在空气中放置49 d后, 该器件仍可保持初始PCE的83.27%, 优于空白器件的62.21%。该研究成果为制备高效且稳定的F-PSCs提供了可能性。

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大面积有机-无机杂化钙钛矿薄膜及其光伏应用研究进展

张慧, 许志鹏, 朱从潭, 郭学益, 杨英

无机材料学报    2024, 39 (5): 457-466.

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池具有制备成本低、光电转换效率(Photoelectric Conversion Efficiency, PCE)高的巨大优势, 显示出广阔的商业化前景。经过十几年的深入研究, 钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSCs)的实验室器件(<1 cm2)、大面积器件(1~10 cm2)、迷你模组级器件(10~800 cm2)和模组级器件(>800 cm2)的最高认证PCE已分别提升至26.10%、24.35%、22.40%和18.60%。随着PSCs面积扩大, PCE急剧下降, 这主要是因为制备方法的局限性，难以获得高质量的大面积钙钛矿薄膜。实验室器件常采用的旋涂法难以应用到实际生产中, 目前大面积钙钛矿薄膜的制备方法主要有刮涂法和狭缝涂布法, 但其存在薄膜成核结晶过程难以精确控制等问题。本文从大面积有机-无机杂化钙钛矿薄膜的制备方法入手, 介绍了大面积钙钛矿层成膜机制及薄膜质量提升策略。最后, 对未来高PCE、高稳定性的大面积PSCs的制备技术和应用进行了展望, 旨在对高性能的大面积PSCs研究提供有益参考。

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燃料还原法原位制备高稳定性/催化活性SOFC钴基钙钛矿阳极

潘建隆, 马官军, 宋乐美, 郇宇, 魏涛

无机材料学报    2024, 39 (8): 911-919.

受固体氧化物燃料电池(SOFCs)原位还原脱溶纳米金属阳极技术的启发, 本工作采用煅烧后的Sr2V0.1Co0.9MoO6前驱体(包含其他相的钙钛矿)在空气气氛下与电解质共烧制备出单电池, 避免了为防止阳极氧化而需在还原/惰性气氛下制备电池的苛刻条件。制备电解质片上的阳极前驱体仅需在燃料侧原位还原4 h, 便可形成纯相Sr2V0.1Co0.9MoO6 (R-SVCMO)阳极。结果表明, R-SVCMO在活化能显著降低的同时电导率由2.7 S•cm-1提高至21.6 S•cm-1。当R-SVCMO为阳极的单电池分别以H2和湿CH4为燃料气时, 在850 ℃的最大功率密度(Pmax)分别达到862和514 mW•cm-2, 显示出优秀的催化性能。还原前后阳极在100~850 ℃的平均热膨胀系数(TEC)分别为1.15×10-5和1.23×10-5 K-1, 均与传统SOFC电解质相近。因此, 还原过程不会导致阳极层体积产生变化, 可以显著提高电池结构稳定性(退化率仅为0.13%)。加之R-SVCMO是在燃料气氛下合成的, 其作为阳极表现出极高的长期稳定性和催化活性。R-SVCMO对湿CH4的催化效率达到60%, 并能够稳定运行1450 h, 相应的单电池可在0.7 V稳定运行450 h。综上所述, 本研究采用燃料原位还原法制备了具有优异电化学性能和结构稳定性的单电池。

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PbTiO₃修饰和极化处理提升钙钛矿太阳能电池性能

厉佥元, 李纪伟, 张钰涵, 刘焱康, 孟阳, 储余, 朱一佳, 徐诺言, 朱亮, 张传香, 陶海军

无机材料学报    2024, 39 (11): 1205-1211. 

碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSCs)具有高光电转换效率(PCE)、长期稳定、低成本优势, 有助于实现钙钛矿太阳能电池(PSCs)商业化。本工作在TiO2致密电子传输层(c-TiO2)上原位生成PbTiO3, 研究了PbTiO3修饰和极化处理对C-PSCs光伏性能的促进作用。研究发现, 反应30 s制备的PbTiO3不仅能够有效地抑制电子传输层的电阻增长, 而且将界面处载流子积聚下降至29.7%, 大幅度提升了载流子分离能力。此外, 进一步极化处理c-TiO2/PbTiO3层可以将载流子积聚下降至6.78%, 使得PSCs的开路电压(Voc)达到0.93 V, 短路电流密度(Jsc)达到14.83 mA/cm2, 填充因子(FF)达到51.16%, PCE达到7.11%。本工作系统研究了PbTiO3修饰和极化处理的方法, 提出了改善C-PSCs性能的研究策略, 揭示了优化载流子传输性能的内在机制, 为开发高效率、低成本和长寿命的商业化PSCs提供了经验借鉴。

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上转换发光纳米材料对钙钛矿太阳能电池迟滞效应和离子迁移动力学的影响

于嫚, 高荣耀, 秦玉军, 艾希成

无机材料学报    2024, 39 (4): 359-366.

迟滞效应是影响钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的重要问题, 离子迁移和由此产生的界面离子积累是引起迟滞效应最重要的原因之一。本研究采用上转换发光纳米材料(Upconversion Luminescent Nanoparticles, UCNP)修饰电子传输层/钙钛矿活性层的界面及本征钙钛矿活性层, 系统探究了UCNP对钙钛矿的形貌、结构、光谱/光电性能和离子迁移动力学的影响。结果表明: 钙钛矿活性层经过UCNP修饰后器件的光电转换效率(Power Conversion Efficiency, PCE)最佳(16.27%), 而且迟滞因子(Hysteresis Factor, HF)得到显著改善(0.05)。进一步采用回路切换瞬态光电技术系统探究了钙钛矿太阳能电池不受光生载流子干扰的离子迁移动力学过程, 证明UCNP在光电转换过程中起到抑制离子累积和迁移的双重作用: 一方面UCNP可以形成阻隔层, 阻碍离子累积; 另一方面, UCNP可以在退火过程中进入到钙钛矿体相晶界处, 阻碍离子迁移, 使恢复电压从0.43 V降低到0.28 V。极化诱导缺陷态模型解释了离子-载流子相互作用机制, 阐释了UCNP抑制钙钛矿光伏器件迟滞效应的机理。本研究可以为调控钙钛矿太阳能电池迟滞提供一种有效的解决方案。

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编者按：徐徐展开新型钙钛矿光电材料的神秘画卷

赵晋津, 张文华

无机材料学报    2023, 38 (9): 989-990. 

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钙钛矿太阳能电池界面工程优化研究

王烨, 焦忆楠, 郭军霞, 刘欢, 李睿, 尚子璇, 张士东, 王永浩, 耿海川, 侯登录, 赵晋津

无机材料学报    2023, 38 (11): 1323-1330.

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)具有高能量转换效率、低能耗和低成本等优点, 但PSCs界面缺陷引起的非辐射复合严重阻碍了其光电转换性能提升。本研究通过降低氧化镍空穴传输层的粒径尺寸, 提高粒径均匀性, 实现了光生空穴在电池界面的高效传输; 并通过优化钙钛矿薄膜的反溶剂作用时间提升结晶质量, 降低界面非辐射复合, 改善空穴传输层和钙钛矿的界面问题, 使钙钛矿太阳能电池的能量转换效率(PCE)从10.11%提高到18.37%。开尔文探针力显微镜(KPFM)研究表明, 界面优化后的钙钛矿薄膜在亮态下的表面接触电位差相比于暗态下增加了120.39 mV。采用压电力原子力显微镜(PFM)分析钙钛矿薄膜明暗态铁电性能, 发现界面优化后的钙钛矿铁电极化变化微弱, 说明优化界面有效降低了电池界面缺陷和迟滞效应。该研究结果表明, 优化氧化镍空穴传输层, 提高钙钛矿薄膜质量, 减少了界面缺陷, 降低了非辐射复合和电池迟滞效应, 提高了钙钛矿太阳能电池的能量转换效率。

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超长稳定的混合阳离子钙钛矿太阳能电池性能优化研究

马婷婷, 汪志鹏, 张梅, 郭敏

无机材料学报    2023, 38 (12): 1387-1395.

钙钛矿太阳能电池(PSCs)发展迅速, 其能量转换效率(PCE)被一再刷新, 但长期稳定性还有待提高。目前大部分高效率钙钛矿太阳能电池在惰性气体环境中完成制备, 成本高且操作空间有限, 不利于产业化应用。本研究成功在空气中制备了具有超长稳定性的混合阳离子钙钛矿太阳能电池, 系统探究了A位阳离子掺杂对钙钛矿微观结构、光电性能以及稳定性的影响。实验结果表明, 掺杂FA+和Cs+可以提高钙钛矿薄膜质量, 优化钙钛矿/SnO2的能级排列, 抑制载流子复合, 显著提高器件的光电转换效率、长期以及湿热稳定性。Cs0.05MA0.35FA0.6PbI3电池的最佳PCE为19.34%, 在(20±5) ℃, 相对湿度<5%的黑暗环境中放置242 d后, 仍保持初始效率的85%。MAPbI3电池在同样测试条件下放置112 d后, 效率下降为初始值的30%。掺杂FA+和Cs+也显著提高了电池的抗热和抗湿性。Cs0.05MA0.35FA0.6PbI3电池分别在(85±5) ℃、相对湿度20%~30%和(20±5) ℃、相对湿度80%~90%的黑暗环境中放置96 h后, PCE分别为初始值的99%和84%, 而MAPbI3在同样条件下的PCE仅为初始值的70%和56%。本研究为在空气环境制备高效、超长稳定的混合阳离子钙钛矿太阳能电池提供了参考。

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钙钛矿太阳能电池无机空穴传输材料的研究进展

陈雨, 林埔安, 蔡冰, 张文华

无机材料学报    2023, 38 (9): 991-1004. 

有机−无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)因高能量转换效率(PCE)和低制造成本而受到了广泛关注。尽管认证PCE已经高达26%, 但在高温、高湿度和持续光照下PSCs的稳定性仍然明显落后于传统太阳能电池, 这成为其商业化道路中最大的阻碍。开发和应用高稳定性的无机空穴传输材料(HTMs)是目前解决器件光热稳定性的有效方法之一, 引入无机HTMs可以有效屏蔽水和氧对钙钛矿吸光层的侵蚀, 从而避免形成离子迁移通道。本文概述了应用于有机−无机杂化钙钛矿太阳能电池的无机HTMs的分类和光电特性, 介绍了相关研究进展, 总结了针对无机HTMs器件的性能优化策略, 包括元素掺杂、添加剂工程和界面工程, 最后展望了无机HTMs未来的发展方向。下一步需要更深入地研究无机HTMs的微观结构及其与PSCs性能的关系, 从而实现更高效、更稳定的PSCs器件。

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卤化物钙钛矿光电阻变机理研究进展

郭华军, 安帅领, 孟婕, 任书霞, 王文文, 梁子尚, 宋佳钰, 陈恒彬, 苏航, 赵晋津

无机材料学报    2023, 38 (9): 1005-1016.

阻变器作为一种基于可逆、非易失、阻态突变的信息存储和处理器件, 是解决传统存储器的内在物理限制和冯·诺依曼架构瓶颈问题的核心电子元器件之一, 受到了广泛关注。卤化物钙钛矿具有快速的载流子迁移特性和优异的光电转换性能, 作为阻变功能层赋予光电阻变存储器优异的阻变性能。因此, 近年来卤化物钙钛矿基阻变器的存储和计算应用研究发展迅速。然而, 目前对于卤化物钙钛矿的光电阻变机理尚未形成统一认识。基于此, 本文分析了卤化物钙钛矿阻变存储器的工作机理, 对比分析了卤化物钙钛矿基光电阻变器导电细丝和能级匹配调控特性, 总结了其各种机理的制约因素, 揭示了导电细丝在光场和电场作用下重复形成和断裂, 以及阻变器中卤化物钙钛矿功能层和其他功能层之间肖特基势垒改变, 主导卤化物钙钛矿光电阻变器的开关比、阈值(Set/Reset)电压和阻变器性能稳定性, 并进一步展望卤化物钙钛矿基光电阻变器在新型人工智能仿生突触、存内运算、机器视觉的应用。

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宽带隙钙钛矿基二端叠层太阳电池复合层的研究进展

董怡曼, 谭占鳌

无机材料学报    2023, 38 (9): 1031-1043.

单结太阳电池的能量转换效率从根本上受限于Shockley-Queisser(S-Q)理论极限, 二端叠层结构可同时解决单结器件中面临的光谱失配和热弛豫能量损耗问题, 是突破S-Q极限最有前途的实用技术。二端叠层太阳电池中的复合层作为中间层的重要组分, 为来自两侧的电子和空穴提供复合位点, 避免了电荷堆积造成的开路电压损失并促进了电流流通, 是实现高性能叠层器件的关键因素之一。理想的复合层应具有较高电导率以提高电荷复合速率、高光学透过率以保证后结子电池的有效光吸收、良好的化学稳定性以降低溶剂对子电池的溶解伤害以及较低的制备成本以推动叠层电池的商业化生产进程。目前已有多种材料被应用于二端叠层太阳电池中, 如薄金属、透明导电氧化物、导电聚合物、氧化石墨烯等, 在钙钛矿-钙钛矿、钙钛矿-有机、钙钛矿-晶硅叠层器件中发挥了重要作用。本文归纳了不同类型叠层太阳电池复合层的研究进展, 系统介绍了复合层的种类、设计原则、制备工艺等, 对比其优缺点并提出了复合层目前存在的问题和面临的挑战, 为制备高效叠层电池提供了有益参考。

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Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池研究进展

张伦, 吕梅, 朱俊

无机材料学报    2023, 38 (9): 1044-1054.

近年来, 有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池以其优异的性能和低廉的制造成本受到了广泛关注。然而, 其含有铅元素的毒性以及稳定性阻碍了进一步商业化应用。双钙钛矿材料Cs2AgBiBr6具有稳定性优异、毒性低、载流子寿命长和载流子有效质量小的优势, 是一种颇具潜力的光伏材料, 已被应用于太阳能电池并展现出良好的性能。但是Cs2AgBiBr6钙钛矿太阳能电池的光电转换效率还无法与有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池相媲美, 发展仍面临诸多挑战。本文首先介绍了Cs2AgBiBr6的晶体结构及容忍因子等结构参数; 然后介绍了溶液法、反溶剂辅助成膜法、气相法、真空辅助成膜法以及喷涂法等薄膜制备工艺的进展, 评述了各种薄膜制备工艺的优缺点; 接着从元素掺杂、添加剂工程及界面工程(界面能级匹配和界面缺陷钝化)三方面介绍了Cs2AgBiBr6钙钛矿太阳能电池的性能优化策略, 结合近年来的研究进展进行了评述; 最后指出Cs2AgBiBr6钙钛矿太阳能电池面临的挑战, 并从前驱体溶剂工程、带隙工程以及器件降解机理三方面展望了未来研究方向。

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低维卤化物钙钛矿直接型X射线探测器研究进展

董思吟, 帖舒婕, 袁瑞涵, 郑霄家

无机材料学报    2023, 38 (9): 1017-1030. 

X射线探测在医学影像、安检、工业无损探测等领域应用广泛。卤化物钙钛矿X射线探测器因具有灵敏度高、检测下限低等显著优点而引人瞩目, 然而三维结构的钙钛矿内部离子迁移显著, 导致其稳定性较差。研究表明, 低维结构可以有效抑制钙钛矿中的离子迁移, 进而提高钙钛矿X射线探测器的稳定性。本文围绕X射线探测器的工作原理、关键性能参数、低维钙钛矿材料及器件等方面, 详细介绍了低维钙钛矿X射线探测器近期的研究进展,系统分析了低维钙钛矿材料的结构特性及其对X射线探测性能的影响。低维钙钛矿可实现兼具高灵敏度和高稳定性X射线探测器的制备, 是发展潜力巨大的候选材料。进一步优化材料体系, 设计器件结构, 制备大面积、像素化的成像器件, 深入研究探测器的工作机制等是促进低维钙钛矿X射线探测器走向应用的关键。

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钙钛矿多色级联发光二极管中多中心载流子均衡分布调控研究

王润, 相恒阳, 曾海波

无机材料学报    2023, 38 (9): 1062-1068.

钙钛矿发光二极管(PeLEDs)具有优异的光电特性, 在显示应用中表现出巨大的发展潜力。红、绿和蓝单色PeLEDs的研究已经取得了突破性的进展, 但是三色钙钛矿共同电致发光的研究始终迟滞不前。本研究在不同钙钛矿之间引入具有空穴/电子产生和传输能力的中间连接层(ICL), 实现了蓝绿双色和红绿蓝三色发光中心共同电致发光。一方面, ICL可以抑制不同钙钛矿之间的离子交换和能量转移; 另一方面, ICL具有电荷产生和输运功能, 能够确保不同发光中心获得足够的载流子实现独立发光。进一步改变空穴传输层(NPB)的厚度可以调控蓝绿双色发光中心之间的能量均衡分布, 当NPB厚度为40 nm时，器件表现出最大外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)为0.33%。红绿蓝钙钛矿共同电致发光器件的最大EQE达到0.5%。本工作首次报道了红绿蓝三色钙钛矿共同电致发光, 并为钙钛矿多色发光中心共同电致发光提供了具有参考性的策略, 推动了钙钛矿在显示应用中的发展进程。

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锡铅混合钙钛矿太阳能电池垂直组分梯度的溶剂工程调控

代晓栋, 张露伟, 钱奕成, 任智鑫, 曹焕奇, 印寿根

无机材料学报    2023, 38 (9): 1089-1096.

带隙1.1~1.4 eV的锡铅混合卤化物钙钛矿是单结太阳能电池光电转换效率(PCE)接近Shockley-Queisser (S-Q)理论效率极限值的理想材料。钙钛矿薄膜垂直方向上的化学组分梯度会通过影响能带结构影响载流子的传输和分离, 因此对锡铅混合钙钛矿薄膜的结晶过程进行控制十分重要。本研究发现使用不同剂量的反溶剂制备锡铅混合钙钛矿会形成不同的垂直组分梯度, 并且随反溶剂用量增大薄膜表面铅含量增加。调整溶剂组分可以控制锡铅混合钙钛矿的垂直组分梯度, 增大溶剂中V(DMSO):V(DMF)可以形成底部富铅而表面富锡的垂直组分梯度。当铅基前驱液溶剂中V(DMSO):V(DMF)最优化为1 : 2时, 相比于1 : 4的对照组, 器件在标准光照条件下的开路电压从0.725 V提高到0.769 V, 短路电流密度从30.95 mA·cm-2提高到31.65 mA·cm-2, PCE从16.22%提升到接近18%。利用SCAPS软件数值模拟进一步证明了垂直组分梯度的必要性, 当钙钛矿薄膜底部富铅、顶部富锡时, 载流子在空穴传输层界面区域的复合有所减少, 因而电池性能得到提升。

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Fmoc-FF-OH钝化钙钛矿薄膜及其太阳能电池性能研究

丁统顺, 丰平, 孙学文, 单沪生, 李琪, 宋健

无机材料学报    2023, 38 (9): 1076-1082.

有机-无机杂化钙钛矿具有高的光吸收系数、可调节的带隙以及双极性的电荷传导特性, 是一种理想的光吸收材料。然而, 溶液法制备的钙钛矿薄膜在表/界面上存在多种缺陷, 会抑制载流子传输并引发复合。本研究选用含多官能团的氨基酸衍生物——9-芴甲氧羰基-L-苯丙氨酸-L-苯丙氨酸(Fmoc-FF-OH)作为添加剂来降低钙钛矿膜缺陷并抑制晶界上的载流子复合。结果表明, 当Fmoc-FF-OH的浓度为0.6 g·L-1时, 钙钛矿薄膜的粒径从138 nm增大到210 nm, 缺陷态密度从2.46×1015 cm-3降低至2.17×1015 cm-3。同时, 钙钛矿太阳能电池也表现出最优的性能, 开路电压从1.05 V提升到1.10 V, 器件的光电转化效率(PCE)从15.50%提升到17.44%。在220 h的稳定性测试中, 器件的光电转化效率仍能维持初始的71%。

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基于二维钙钛矿(PEA)₂PbI₄的光电探测器

蔡凯, 靳志文

无机材料学报    2023, 38 (9): 1069-1075.

二维(2D)钙钛矿以其固有的量子阱结构、较大的激子结合能和良好的稳定性, 在光电应用领域中具有广阔的前景。然而, 提高二维钙钛矿薄膜质量、降低成本并简化制备工艺仍然面临巨大的挑战。本工作在低退火温度(80 ℃)且无需其他特殊处理的条件下, 采用溶液法制备高质量二维钙钛矿(PEA)2PbI4薄膜, 并进一步制备了光电探测器。结果表明, 这种光电探测器有较低的暗电流(10-11 A), 在450 nm光照下具有良好的响应度(107 mA·W-1)、较高的探测率(2.05×1012 Jones)和快速响应时间(250 μs/330 μs)。持续控制光照1200 s后, 器件可以保持95%的光电流。此外, 器件静置30 d后光电流几乎保持不变。本研究为开发稳定和高性能光电器件提供了良好的途径。

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NiO_x介孔层的成膜过程对碳电极钙钛矿太阳能电池性能的影响

方万丽, 沈黎丽, 李海艳, 陈薪羽, 陈宗琦, 寿春晖, 赵斌, 杨松旺

无机材料学报    2023, 38 (9): 1103-1109.

碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSCs)具有稳定性好且成本低的优势, 展现出广阔的应用前景。本研究基于MAPbI3材料, 选择高质量的NiOx介孔层作为空穴传输层(HTL), 对比了NiOx介孔层不同制备方法对电池性能的影响, 并对NiOx介孔层的厚度进行优化。研究发现, 与旋涂工艺制备的NiOx介孔层相比, 丝网印刷工艺制备的介孔层的孔径分布均匀, 可改善钙钛矿(PVK)前体溶液填充在介孔支架中的填充状态。最终得到含HTL的高效率和低滞后的钙钛矿太阳能电池, 其开路电压(VOC)为910 mV, 光电转换效率(PCE)为14.63%, 认证效率达14.88%。此外, 在空气中储存近900 h, 其PCE没有明显衰减。

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杂化泛函HSE和PBE0计算CsPbI₃缺陷性质的比较研究

吴晓维, 张涵, 曾彪, 明辰, 孙宜阳

无机材料学报    2023, 38 (9): 1110-1116.

在卤族钙钛矿材料的缺陷研究中, 密度泛函理论计算发挥着重要作用。传统的半局域泛函(如PBE)虽然能够得到与实验接近的禁带宽度, 但是已有研究表明其不能准确描述材料的带边位置。采用更准确的杂化泛函, 结合自旋轨道耦合(SOC)效应与充分的结构优化开展缺陷研究十分必要。可以选择两种杂化泛函, 即屏蔽的杂化泛函HSE和非屏蔽的杂化泛函PBE0。本研究以正交相CsPbI3为例, 系统比较了两种方法在缺陷性质计算上的差异。计算结果表明, 对于体相性质, 两种杂化泛函并无明显的差别。但是, 对于缺陷性质, 两种泛函出现定性的差别。HSE计算中预测的浅能级缺陷, 在PBE0计算中大部分变为深能级缺陷, 且缺陷转变能级和Kohn-Sham能级均出现定性差别。上述差别的本质在于, Hartree-Fock交换势具有长程作用特征, 因而普通的杂化泛函如PBE0在计算量允许的超胞尺寸上无法得到收敛的结果, 而HSE对上述交换势具有屏蔽作用, 可采用相对小尺寸的超胞得到收敛的缺陷能级。本研究结果表明, 尽管HSE杂化泛函需要较大的Hartree-Fock混合参数(约0.43), 其仍是准确计算卤族钙钛矿缺陷性质的有效方法。

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共沉淀法制备Cs₂Ag_0.1Na_0.9BiCl₆:Tm³⁺双钙钛矿及其近红外发光性能

王马超, 唐扬敏, 邓明雪, 周真真, 刘小峰, 王家成, 刘茜

无机材料学报    2023, 38 (9): 1083-1088.

间接带隙的Cs2NaBiCl6双钙钛矿材料具有近红外宽波段发射特性, 但低发光效率限制了其在近红外发光领域的应用。本工作通过共沉淀法快速制备微米级尺寸的Cs2Ag0.1Na0.9BiCl6:Tm3+双钙钛矿晶体, 实现了近红外荧光增强, 并系统研究了其光学吸收、光致发射(PL)、光致激发(PLE)、时间分辨光致发光和荧光量子效率(PLQY)等光学性能。共沉淀法制备的Cs2Ag0.1Na0.9BiCl6:Tm3+的光学带隙为3.06 eV。在350 nm紫外光激发下, 可以观察到峰值位于680 nm的近红外宽峰发射, 这源于自陷激子发光。通过引入Tm3+作为新的发光中心, 实现了810 nm波段的近红外发光增强, 在780~830 nm波段荧光量子效率(PLQY)从1.67%提高到11.77%, 提高了6.05倍。在650~900 nm波段, Cs2Ag0.1Na0.9BiCl6:Tm3+的近红外PLQY高达25.22%。本研究证明了共沉淀法快速制备的Cs2Ag0.1Na0.9BiCl6:Tm3+钙钛矿作为新型近红外光源材料的可行性。

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单分子液晶添加剂在甲脒铅碘钙钛矿太阳能电池中的应用

韩旭, 姚恒大, 吕梅, 陆红波, 朱俊

无机材料学报    2023, 38 (9): 1097-1102.

溶液制备的钙钛矿薄膜通常含有大量晶界, 会降低薄膜结晶质量, 导致缺陷复合, 不利于提升器件性能。因此，制备更高结晶质量的薄膜来进一步提升能量转化效率是钙钛矿太阳能电池面临的挑战。液晶分子具有强的自组装能力和形貌调节能力, 本研究引入一种向列型单分子液晶4-氰基-4′-戊基联苯(5CB)作为甲脒铅碘(CH(NH2)2PbI3, FAPbI3)钙钛矿前驱液的添加剂, 可以增大钙钛矿晶粒尺寸, 减少晶界。此外, 5CB的氰基能钝化钙钛矿晶粒表面未配位的Pb2+, 降低缺陷态密度, 从而抑制非辐射复合。经过优化, 添加0.2 mg/mL 5CB的钙钛矿太阳能电池的能量转化效率达到21.27%, 开路电压为1.086 V, 电流密度为24.17 mA/cm2, 填充因子为80.96%。本研究证明使用单分子液晶作为添加剂是提升FAPbI3钙钛矿电池性能的有效策略。

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溶液法制备AgBi₂I₇薄膜及其光电探测性能研究

胡盈, 李自清, 方晓生

无机材料学报    2023, 38 (9): 1055-1061.

AgBi2I7薄膜具有良好的光电特性和环境稳定性, 是构筑异质结紫外光电探测器的有力候选材料之一。本研究采用溶液法制备AgBi2I7薄膜, 通过优化前驱体溶液的浓度和溶剂类型(正丁胺和二甲基亚砜)等工艺参数, 研究了其光电探测性能。采用最优方案在宽带隙的GaN上制备AgBi2I7薄膜, 构建AgBi2I7/GaN异质结。该异质结对UVA射线具有良好的选择性探测(探测半峰宽约30 nm)。在3 V偏压和350 nm紫外光照射下, 器件开关比超过5个数量级, 达到27.51 A/W的高响应度和1.53×1014 Jones的高探测率。研究表明溶液法制备的AgBi2I7薄膜有望应用于构建高性能的异质结紫外光电探测器。

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氧化锆间隔层的低温喷涂制备及其三层结构钙钛矿太阳能电池应用性能

张万文, 罗建强, 刘淑娟, 马建国, 张小平, 杨松旺

无机材料学报    2023, 38 (2): 213-218.

氧化钛/氧化锆/碳三层结构钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells, PSCs)具有原材料廉价、制备工艺易放大和稳定性好等优势, 受到了广泛关注。但三层结构PSCs的低温制备研究进展缓慢, 主要原因之一在于难以在低温条件下构建合适的氧化锆间隔层。本研究以尿素为孔隙率调节剂, 用简单的喷涂法制备多孔氧化锆间隔层用于三层结构PSCs。通过调节喷涂次数优化氧化锆层厚度为1100 nm时, 电池的性能最优, 单电池功率转换效率达到14.7%, 5块电池串联模块(5×0.9 cm×2.5 cm)达到10.8%。PSCs在恒温恒湿箱(25 ℃, 湿度40%)保存200 d, 功率转换效率保持稳定, 没有明显下降。柔性基底上的氧化锆层经50次弯曲测试后保持完整, 未见脱落。与传统的丝网印刷氧化锆间隔层制备方法相比, 本研究的喷涂方法具有方法简便、操作温度低、与柔性基底兼容性好的优点。

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L-精氨酸掺杂钙钛矿太阳电池性能研究

焦博新, 刘兴翀, 全子威, 彭永姗, 周若男, 李海敏

无机材料学报    2022, 37 (6): 669-675.

钙钛矿太阳电池以其优异的性能和发展潜力而成为新能源领域研究热点, 但仍然存在缺陷密度大、稳定性差等不足。本研究通过实验对比多种常见氨基酸的掺杂效果后, 将小分子有机物L-精氨酸引入钙钛矿前驱体溶液, 并通过二元两步法制备钙钛矿太阳电池。L-精氨酸掺杂提升了器件的光电性能, 光电效率由18.81%提升到21.86%。L-精氨酸通过降低钙钛矿层缺陷密度(由4.83×1016 cm-3降低到3.45×1016 cm-3), 减少了载流子非辐射复合, 延长了载流子的平均寿命, 且钙钛矿晶粒尺寸增大、晶界减少、薄膜吸光能力增强且稳定性提升, 迟滞效应得到抑制。这是由于L-精氨酸的多种基团与钙钛矿材料作用钝化了缺陷造成的。本研究为钙钛矿太阳电池的性能优化提供了一种借鉴方法。

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基于对氯苄胺的2D/3D钙钛矿太阳能电池

杨新月, 董庆顺, 赵伟冬, 史彦涛

无机材料学报    2022, 37 (1): 72-78. 

三维(3D)有机-无机金属卤化物钙钛矿薄膜的表面和晶界处存在大量缺陷, 容易导致载流子的非辐射复合并加快3D钙钛矿分解, 进而影响钙钛矿太阳能电池(PSCs)能量转换效率(PCE)及稳定性。本研究通过引入对氯苄胺阳离子, 与3D钙钛矿薄膜及其表面过剩的碘化铅反应后原位形成了二维(2D)钙钛矿, 实现了对3D钙钛矿薄膜表面和晶界处的缺陷钝化并改善了表面疏水性。基于该策略, 成功制备出具有更高PCE和更好稳定性的2D/3D-PSCs。本工作系统研究了钙钛矿薄膜的结构、形貌和器件的光电特性及稳定性。研究结果表明, 2D/3D-PSCs的PCE高达20.88%, 高于3D-PSCs的18.70%。另外, 2D/3D-PSCs连续工作200 h后(1个太阳光, N2氛围), PCE保持初始值的82%, 展现出优异的稳定性。

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醋酸铅添加剂在印刷钙钛矿太阳能电池中的应用

明月, 胡玥, 梅安意, 荣耀光, 韩宏伟

无机材料学报    2022, 37 (2): 197-203.

印刷钙钛矿太阳能电池采用无机介孔骨架包覆有机无机杂化钙钛矿材料的器件结构, 制备工艺简单, 原材料成本低廉, 且稳定性优异。然而, 在介孔骨架中均匀沉积高质量的钙钛矿材料存在一定困难。本研究通过在典型钙钛矿材料甲胺铅碘(MAPbI3)前驱液中引入醋酸铅(Pb(Ac)2)作为添加剂, 加快钙钛矿晶体的成核从而改善其在介孔骨架中的生长和填充。同时, Ac-与MA+所形成的MAAc在热退火过程中逃逸可使得所沉积的钙钛矿光活性层中PbI2略微过量, 达到钝化晶界的作用。添加摩尔分数1% Pb(Ac)2的钙钛矿前驱液所制备的印刷钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达到15.42%, 表明引入添加剂调控钙钛矿光活性层结晶质量是提升印刷钙钛矿太阳能电池性能的有效途径。

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钙钛矿量子点光伏与荧光聚光电池: 现状与挑战

张枫娟, 韩博宁, 曾海波

无机材料学报    2022, 37 (2): 117-128.

太阳热辐射能储量丰富且无污染, 是未来最具竞争力的清洁能源之一。近年来, 卤化物钙钛矿量子点以其优异的光电特性以及量子限域效应、可溶液加工等独特优势被广泛应用于太阳能电池和荧光型聚光太阳能电池, 应用前景广阔, 但在未来的商业化应用中仍然面临诸多挑战。本文结合钙钛矿量子点太阳能电池领域的国内外研究进展, 重点归纳了提升电池性能的优化策略, 并探讨了钙钛矿量子点在荧光聚光电池中的应用, 最后阐述了该领域当前面临的挑战, 并对其发展趋势进行了展望, 旨在为未来光伏技术的设计和开发提供一些思路, 推进其研究进程。

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