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钙钛矿太阳能电池研究进展精选
更新日期:2015-03-13  

  1.    Science:钙钛矿单晶及其光电传输性能研究 

  图:置于低温恒温器上的橙色钙钛矿晶体,来源:多伦多大学 

  钙钛矿材料对可见光的吸收非常好,但其完美的单晶结构从未被彻底研究过。据130日的《科学》杂志报道(Science, 2015, 347, 519-522, DOI: 10.1126/science.aaa2725),阿卜杜拉国王科技大学Osman Bakr和多伦多大学Edward H. Sargent的研究团队利用新技术生长出体积超过100立方毫米的钙钛矿单晶,而且研究了当光转换为电时电子在材料中如何移动,从而为开发出更廉价、更高效的太阳能电池和发光二极管打下了基础。 

  该团队使用基于激光的组合技术对钙钛矿晶体的所选属性进行了测量。通过追踪材料中电子的快速运动,他们已经能够确定扩散长度(没有被材料缺陷捕获前电子可运动的距离)和迁移率(电子在材料中的运动速度)。 

  研究人员表示,此项工作确定了钙钛矿材料捕获太阳能的终极能力,从而使竞逐光电转换新记录的赛程中又增加了一名新成员。近年来,钙钛矿材料已确认的光电转换效率飙升至略高于20%,开始接近现今商用级硅基太阳能电池板的性能。鉴于其可由液态化学前驱体简易制造,钙钛矿材料拥有进一步降低太阳能电力成本的极大潜力。 

  Sargent课题组另一个工作重点是提高纳米工程胶体量子点的效率。“钙钛矿材料长于采集可见光,量子点则优于吸收红外光。” Sargent说。“考虑到太阳光广泛的可见及红外能量光谱,这种材料在收集太阳能方面具有互补优势。” (综合科技日报、新材料在线报道) 

  相关阅读:物理学家组织网报道(英文) 

    

  2.    以非卤化物为原料制备高效的钙钛矿太阳能电池 

  钙钛矿太阳能电池是当前光伏领域的研究热点。近日,一支由牛津大学、康奈尔大学、剑桥大学和南京大学组成的联合研究团队,使用一种非卤化物的新颖液体原料——乙酸铅,开发了一种优化制备工艺的方法,制备出薄的、高效以及廉价的平面异质结结构太阳能电池。提出了该研究发表在《自然·通讯》杂志上(Nat. Commun., 2015, DOI: 10.1038/ncomms7142)。该项目的负责人是该领域领军人物、牛津大学的Henry J. Snaith 

  作者在文章中系统地研究了阴离子在钙钛矿溶液中的作用以及对钙钛矿晶体生长、成膜和器件性能的影响。他们发现与氯化铅或碘化铅相比较,以乙酸铅为原料的钙钛矿晶体生长快得多,这使得能够通过简单的一步溶液涂覆法得到超平整的钙钛矿薄膜。文中还探讨了过量的有机组分在钙钛矿结晶过程中的作用。 

  该研究为通过简单的化学反应调控晶体生长动力学铺平了道路。 

  相关阅读:物理学家组织网报道(英文) 

    

  3.     美开发出制备高效钙钛矿太阳能电池的新技术 

  来自拉斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的科学家们在130日的《科学》杂志上(Science, 2015, 347, 522-525, DOI: 10.1126/science.aaa0472)报道了一种新的技术,该技术基于溶液热铸造法,可以用大尺寸钙钛矿晶体来高效制备可量产的太阳能电池。 

  领导该项目的Los Alamos科学家Aditya Mohite表示:“钙钛矿晶体为未来开发低成本、基于太阳能的清洁能源解决方案提供了一条有希望的途径。” 

  研究人员制备了由毫米级大晶粒钙钛矿材料构成的平面异质结太阳能电池,其接近18%的效率是目前已报道的钙钛矿基光电转换器件中最高的。 

  他们认为这种钙钛矿太阳能电池中,电池与电池间极小的差异导致的无滞后的光伏响应,是钙钛矿器件稳定运行的关键。 

  “对大晶粒钙钛矿材料进行表征和建模以减少体相缺陷、提高载流子迁移率,从而提高其性能。”Mohite说,“我们已经证实了其结晶质量与高质量半导体(如硅和砷化镓)相当。” 

  研究人员预测他们的这种晶体生长技术将推动制备高效太阳能电池必需的晶圆级钙钛矿晶体的合成,还有望应用于通过溶液法合成的那些受多分散性、缺陷与晶界复合所困扰的薄膜材料体系。(摘编自 新材料在线) 

  相关阅读:物理学家组织网报道(英文) 

    

  4.     ScienceCH3NH3PbI3钙钛矿单晶中的电子-空穴对扩散长度大于175微米 

  曾有研究表明,多晶CH3NH3PbI中(MPC)平衡电子-空穴对扩散长度大于100 纳米,这对于高效的钙钛矿太阳能电池很重要。而最近美国内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松研究团队在《科学》期刊上报道了一项新成果(Science, 2015, 347, 967-970, DOI: 10.1126/science.aaa5760):通过溶液生长法制备得到的CH3NH3PbI3单晶,在模拟太阳光照射(1 sun illumination)下,电子空穴扩散长度超过了175微米,在较弱的光照条件下(0.003% sun),扩散长度高达3毫米。在3毫米厚的单晶钙钛矿太阳能电池中,微弱的光照可以激发出接近100%的内部量子效率。与多晶薄膜相比,钙钛矿单晶中具有如此大的扩散长度主要原因是高的载流子迁移率、载流子寿命和非常小的缺陷密度。 

    

  5.     低温溶液法制备高性能宽能带薄膜钙钛矿太阳能电池 

  提高硅基单晶太阳能电池能量转换效率的一个新的解决方案就是找到一种廉价的材料,可以与硅太阳能电池板配合形成串接太阳电池来提高整体效率。串接太阳电池利用两个或者超过不同带隙的两个半导体材料来吸收不同颜色的光,从而能够更加有效的利用全光谱的太阳能。 硅的带隙为1.12 eV,与其最佳匹配的材料需要有大约1.72 eV 的带隙。这样才有可能将整体的串联电池效率提高到30%以上。 

  钙钛矿结构有机金属卤化物凭借其廉价、可溶液制备的特点,很有潜力与硅基电池配合构成串联电池。然而,这种材料无法直接与硅基电池配合来形成高效率的串联电池。原因有二个:1)高效率的此种薄膜太阳能电池都是基于1.55 eV带隙的有机金属三碘化钙钛矿结构的材料,与硅配合起来带隙仍然太小;2)许多最有效的薄膜太阳能电池多使用多孔二氧化钛作为电子萃取层,然而这种多孔二氧化钛需要在多达400下形成。这种高温制备工艺会破坏底部的硅太阳能电池的性能,从而降低整体串联电池的效率。 

  美国内布拉斯加大学林肯分校黄劲松研究团队通过在有机金属三碘化钙钛矿体系中掺杂一定量的溴,将带隙从1.55 eV扩大到最优化的1.72 eV,从而达到配合硅的的带隙的目的。他们使用溶液旋涂的方法,在较低的温度下制备了基于此材料的高性能薄膜太阳能电池。光电转化效率达到了13.1%,是具有此种带隙的太阳能电池中报道的最高数值。相关结果发表在《先进能源材料》上(Adv. Energy Mater., DOI: 10.1002/aenm.201401616)。 

  对于此类宽带隙的吸收材料需要足够的厚的活性层来吸收绝大部分的入射光来产生最大的光电流。然而太厚的活性层会使光生载流子无法达到电极,从而无法被收集来产生电流。他们利用了两项他们自己发明的技术来优化这些器件,使得420600 nm的厚度即可吸收绝大部分入射光,同时保证载流子能被有效收集。首先,他们使用溶剂退火的办法在较厚的钙钛矿膜中形成和膜厚相似大小的晶粒,显著减少载流子在晶界的复合。其次他们使用石墨稀钝化钙钛矿活性层的表面和晶界的载流子陷阱,进一步减少载流子的复合。最后得到高性能的器件。这种宽带隙高性能钙钛矿太阳能电池的制备工艺符合与硅形成串联电池的要求。此工作对未来的钙钛矿/硅太阳能串接电池的研究铺垫了基石。(来源:MaterialsViewsChina 

    

        6.    基于石墨炔(Graphdiyne)修饰P3HT空穴传输材料的高效率钙钛矿太阳能电池

  近年来,钙钛矿型太阳能电池再次掀起了新型光伏领域的研究热潮。以CH3NH3PbI3为代表的具有钙钛矿晶型的有机金属卤化物作为一种新型的光电转换材料,具有消光系数高、载流子非辐射复合速率低等优点,可以实现较高的能率转换效率,应用前景好。在钙钛矿太阳能电池中,除了钙钛矿材料本身之外,合适的空穴传输材料对于器件的性能和稳定性也是十分重要的。聚3-己基噻吩(P3HT)是最常用的聚合物空穴传输材料之一,当用于钙钛矿电池时,往往需要添加Li盐和吡啶衍生物进行改性,而这些添加剂对钙钛矿电池稳定性会产生不利影响。因此,如何进一步提高空穴传输材料性能及发展材料改性的新方法和技术,是非常有意义的。 

  中国科学院物理研究所孟庆波课题组与化学研究所李玉良课题组在这一领域开展了深入合作。他们将石墨炔(Graphdiyne)这种新的碳同素异形体,首次应用于钙钛矿电池中。通过与P3HT进行复合,显著提高了空穴传输性能,基于这种复合空穴传输层的钙钛矿电池实现了14.58%的高效率。相关结果发表在《先进能源材料》上(Adv. Energy Mater., 2015, DOI: 10.1002/aenm.201401943)。 

  石墨炔是一类新型的碳同素异形体,具有与石墨烯类似的二维结构。并且,由于石墨炔是由spsp2杂化的碳原子组成的,它还具有直接带隙、刚性平面结构、均匀亚纳米级孔结构等独特性质。这些特性预示石墨炔材料在催化、气体分离、储能等领域有着巨大的应用潜力。该研究团队将石墨炔粉末与P3HT在溶剂中混合,获得了石墨炔/P3HT薄膜。通过微区Raman光谱分析发现,在P3HT/石墨炔的复合薄膜中,石墨炔的sp2碳的G带峰位置发生了蓝移,而双炔特征峰的位置发生了红移。研究结果表明,石墨炔特殊的分子结构和电子结构不仅具有供电子特性,而且也具有吸电子特性。进一步利用紫外光电子能谱研究了不同石墨炔掺杂量对复合膜的HOMO能级的影响。结果发现:石墨炔加入量越多,混合薄膜的HOMO能级就越低;这表明石墨炔对于主体P3HT的净效果是来自于双炔键的吸电子作用,而这种作用有助于提高P3HT中载流子浓度,使得钙钛矿与P3HT之间的空穴转移更顺畅。进一步地,将这种复合膜沉积在钙钛矿吸光层上,通过瞬态光致发光光谱研究证实:石墨炔的引入显著提高了电池器件的空穴分离和传输特性。由于空穴传输性能的提高及部分石墨炔额外提供的散射性质,基于P3HT/石墨炔复合空穴传输材料的钙钛矿电池的平均光电转换效率从11.11%提高到了13.17%,最高效率达到14.58%。同时,由于石墨炔本身与钙钛矿材料之间的化学惰性,所制备电池器件的稳定性显著提高,保存4个月后电池效率仍然保持初始效率的90%以上。这一研究工作展示了石墨炔材料在太阳能领域潜在的应用前景。(来源:MaterialsViewsChina 

    

  7.    日本NIMS建立钙钛矿型太阳能电池研发体制 

  日本国立材料科学研究所(NIMS的纳米材料科学环境基地(GREEN)于201517日在东京举行了“第9届纳米材料科学环境基地研讨会”,并在会上宣布,关于最近备受关注的钙钛矿型太阳能电池,已建立起了相关研发体制。 

  GREEN副主任、钙钛矿型太阳能电池特别基地小组负责人宫野健次郎介绍了成立该小组的原委:“2009年钙钛矿型太阳能电池的高效率化研究成果发表以后,尤其是最近两年,世界各国的研发团队接连发表了实现更高效率的研究成果,刮起了一阵研发旋风。在这种背景下,20141014日,我们在200910月设立的GREEN中设立了钙钛矿型太阳能电池特别基地小组。” 

  GREEN是为了利用纳米技术研发环境技术而设立的,把太阳能电池作为绿色创新的重要技术,开展光电转换原理分析、光电转换高效率化及探索新材料方面的研究。目前,特别研究小组正在探索卤化金属钙钛矿型太阳能电池的代表——甲基氨基碘化铅(CH3NH3PbI3)等太阳能电池的制造方法。 

  另外,宫野介绍了试制的卤化金属钙钛矿型太阳能电池,表示正在利用以标准PIN结的“无机半导体模型”这一简单模型进行近似的方法,提取各种参数。”(来源:日经技术在线 

  (杨琛 整理)