綜述:無機-有機鈣鈦礦材料在新型薄膜太陽能電池中的應用

2020-12-03 科學網
綜述：無機-有機鈣鈦礦材料在新型薄膜太陽能電池中的應用

 

近年來，以CH3NH3PbI3為代表的具有鈣鈦礦晶型的有機金屬滷化物在光電領域的應用吸引了廣泛的研究興趣。作為一種新興的半導體光電轉換材料，它具有高消光係數(105 cm-1)、長載流子壽命(~μs)、低缺陷態濃度、低激子束縛能以及可低成本溶劑製備等諸多優點。基於該類材料的薄膜太陽能電池(鈣鈦礦太陽能電池) 的光電轉換效率已經超過22%，超過了多晶矽太陽能電池，具有較好的應用前景。同時，該材料在光電探測、發光、高能射線探測及非線性光學等方面均展現出良好的性能，成為光電物理、材料(器件)物理和化學等交叉領域的研究熱點。中國科研人員在高效無空穴傳輸材料器件、新材料的探索和應用、材料製備的物理化學過程調控、大面積器件研發、器件穩定性以及高效發光等方面均做出了積極的貢獻。

基於鈣鈦礦薄膜電池的研究現狀，中國科學院物理研究所孟慶波研究員領導的研究團隊近期以「Inorganic-organic halide perovskites for new photovoltaic technology」為題發表在《國家科學評論》（National Science Review, 2017, https://doi.org/10.1093/nsr/nwx100）的論文，從鈣鈦礦材料的結構特徵、材料製備技術以及關鍵物理特性等方面對該類材料和器件的發展進行了綜述和探討。

該論文著重探討和總結了鈣鈦礦材料的半導體摻雜、結電場、缺陷態、離子遷移及其誘導的半導體性質演化等關鍵物理特性。理論研究表明，三元鈣鈦礦材料的自摻雜(比如原子缺失、間隙和替位)可以誘導產生p型或n型載流子。目前，實驗上已經初步能夠通過控制薄膜沉積的物理化學過程實現對鈣鈦礦載流子類型的調控，比如：在兩步法中實現了甲胺鉛碘空穴濃度的控制。此外，通過雜原子摻雜也可以獲得異質結電池所期望的p型載流子。基於該類材料普遍存在的p型摻雜，在n-TiO2/鈣鈦礦吸光層/空穴傳輸層結構的器件中可以觀測到存在於TiO2/鈣鈦礦吸光層間的單邊異質結，且耗盡區主要分布於鈣鈦礦層內。而鈣鈦礦吸光層/空穴傳輸層間並未觀測到結的存在。這表明鈣鈦礦電池更可能是一種單異質結電池，而非傳統認為的p-i-n型電池。關於該類材料的深缺陷態能級，實驗上已經採用了多種方法進行測量，均表明這種低溫溶液法製備的鈣鈦礦薄膜材料的缺陷態濃度可以低至1015 cm-3，從而保證了長的載流子壽命。最近，理論和實驗測量均發現該類材料內顯著的離子遷移，而離子遷移會導致材料摻雜和缺陷態的重新分布，進而影響器件的光電過程和穩定性。

這些關鍵物理特性的理解對於鈣鈦礦器件性能的提升和新應用的開發具有重要意義，同時也是正確評價和認知鈣鈦礦器件核心問題的基礎。對於鈣鈦礦器件，較低的穩定性是其進一步發展的瓶頸之一，而物理性質的穩定性是其關鍵所在，值得深入關注。（來源：科學網）

相關焦點

  • 【綜述】有機-無機雜化鈣鈦礦材料的化學形成與多功能應用
    有機-無機雜化鈣鈦礦材料屬於一種具有獨特光、電、磁性能且通過有機小分子與無機分子發生自組裝而形成的新型複合晶體材料
  • 【材料】氧化鎳基高效柔性有機-無機複合鈣鈦礦太陽能電池
    氧化鎳材料具有優異的空穴傳輸性能，與常用的PEDOT:PSS相比，它具有更高的穩定性和更強的電子阻擋能力，因此特別適合作為有機-無機鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸層
  • 鈣鈦礦太陽能電池圖鑑——2018年度ESI高被引論文中的鈣鈦礦太陽能電池匯總
    這篇文章將從以上三個方面，來對2018年度JACS，Angew和AM上ESI高被引論文中的鈣鈦礦太陽能電池的研究進行一個匯總，看看鈣鈦礦這匹黑馬在光伏領域研究中的表現。基於金屬銫的鈣鈦礦太陽能電池由於其優異的穩定性在光伏領域具有廣闊的應用前景。然而，無機鈣鈦礦太陽能電池中的巨大能量損失已成為影響其最終效率的重要因素。
  • Small Methods: 有機太陽能電池中的光耦合綜述
    近幾十年來，光伏電池作為可持續的清潔能源得到快速發展。按照使用材料可以分為矽，銅銦鎵錫，鈣鈦礦，有機等類型的太陽能電池。
  • 北理在有機-無機雜化金屬滷素鈣鈦礦太陽能電池穩定性研究獲進展
    近日，國際化學與材料領域頂級期刊《能源與環境化學》（Energy & Environmental Science，影響因子30.289）報導了北京理工大學前沿交叉科學研究院崔彬彬課題組在高效率有機-無機雜化金屬滷素鈣鈦礦太陽能電池
  • 大連化物所發表柔性鈣鈦礦太陽能電池綜述文章
    近年來發展起來的新型鈣鈦礦太陽能電池具有結構簡單、可低溫加工、效率高，以及價格低廉等優點，非常適用於製備柔性太陽能電池。因此，當前國內外都加快了基於鈣鈦礦材料的柔性太陽能電池的研究。其研究主要集中在如何提升柔性鈣鈦礦太陽能電池的效率、加大有效面積、降低成本、實現低溫製備，以及大規模生產等問題上。
  • 鈣鈦礦太陽能電池研究相關綜述
    近日，中科院大連化物所薄膜矽太陽電池劉生忠研究員團隊受邀在《先進材料》（Advanced Materials）上發表綜述文章，該文章總結和探討了金屬離子在鈣鈦礦太陽能電池中的最新研究進展及潛在的機遇與挑戰。
  • 無機鈣鈦礦電池性能調控方面取得新進展!
    近年來，基於鉛的有機/無機雜化鈣鈦礦材料受到了極大的關注，成為太陽電池研究的熱點方向，其最高光電轉換效率已達到23%。然而，由於這類材料結晶性強，利用常規的溶液塗布方法和採用常用的鈣鈦礦前驅體，很難控制鈣鈦礦薄膜的成核和結晶，導致薄膜的覆蓋度低和光伏器件性能重複性差，可能制約著其進一步的推廣應用。
  • 鈣鈦礦或將代替晶矽 成為太陽能電池「新寵」
    鈣鈦礦或將代替晶矽 成為太陽能電池「新寵」北極星太陽能光伏網訊:光伏材料又稱太陽能電池材料，是指能將太陽能直接轉換成電能的材料。晶矽作為最主要的傳統光伏材料，其市場佔有率達90% 以上。1976 年出現新型薄膜太陽能電池，涉及材料包括硫化鎘、砷化鎵、銅銦硒等，光電轉換效率可達18%。
  • 陳立桅課題組JACS：有機和鈣鈦礦太陽能電池中的界面偶極
    鈣鈦礦等新型太陽能電池中被廣泛採用的界面調控策略之一。背景介紹有機和鈣鈦礦太陽能電池由光活性層、界面層和電極層等多層薄膜垂直堆疊組成，在低成本、高效率太陽能轉換方面的應用前景被廣泛看好。雖然新的活性層材料，如非富勒烯受體和多離子混合鈣鈦礦等，是其發展的重要驅動力，但新型器件結構以及界面層材料同樣不可或缺。對於有機太陽能電池而言，開路電壓和短路電流相互折衷，是早期限制器件性能提升的主要瓶頸之一。
  • 乾貨 詳解鈣鈦礦太陽能電池的應用
    前言有機金屬滷化物鈣鈦礦結構太陽能電池是一種以全固態鈣鈦礦結構作為吸光材料的太陽能電池，其能隙約為1.5eV消光係數高,幾百納米厚的薄膜即可充分吸收800 nm以下的太陽光, 在光電轉換領域具有重要的應用前景。鈣鈦礦太陽能電池憑藉良好的吸光性和電荷傳輸速率,以及巨大的開發潛力, 被譽為「光伏領域的新希望」。
  • 臧志剛：鈣鈦礦薄膜太陽能電池有望實現商業化
    為什麼要發展太陽能發電？首屆川渝科技學術大會優秀論文特等獎獲獎作者、重慶大學教授臧志剛在作的「高性能無機鈣鈦礦太陽能電池關鍵技術」主題報告中給出了答案：能源危機和環境汙染已成為當今世界面臨的兩大難題，而中國太陽能資源豐富，且低成本和高效率的無機鈣鈦礦太陽能電池在民用和國防領域有著潛在的應用前景。
  • 無機鈣鈦礦太陽能電池可簡化的僅剩下CsPbBr3層
    鈣鈦礦太陽能電池由於具有較高的光電轉換效率（＞ 22．7％），被研究人員認為是近年來最有希望解決能源問題的途徑之一。然而，傳統有機－無機雜化鈣鈦礦吸光材料的穩定性卻成為其商業化的最大障礙。為此，研究人員嘗試開發新型的鈣鈦礦結構吸光劑。
  • 新型鈣鈦礦薄膜讓太陽能電池實現高效率
    南京工業大學先進材料研究院黃維院士團隊、陳永華教授團隊與澳門大學應用物理及材料工程研究院邢貴川教授合作，在世界上首次報導了一系列不同量子阱寬度的二維Ruddlesden-Popper（RP）層鈣鈦礦薄膜，及其高效的鈣鈦礦太陽能電池應用。
  • 【乾貨】新型鈣鈦礦太陽能電池的研究
    自從2009年日本學者首次研究鈣鈦礦敏化太陽能電池，經過5年的發展，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率從最初的3.1%躍遷到19.3%，引起了人們極大的研究熱情。而鈣鈦礦太陽能薄膜電池成為人們研究的重點，本文研究了不同成分的摻雜對錫鈣鈦礦電池薄膜成膜性能的影響，對薄膜的形貌、物相、吸收率和禁帶寬度進行表徵和測試。測試結果表明，CH3NH3SnI3成分的鈣鈦礦薄膜具有最低的禁帶寬度，其吸光性能優於其他成分的鈣鈦礦薄膜。摻雜Br、Cl離子會導致CH3NH3SnI3成分的鈣鈦礦薄膜的禁帶寬度增加，而吸光性能和結晶性能降低。
  • 鈣鈦礦太陽能電池研究進展
    作為一種誕生於2009年的新型能源電池，鈣鈦礦太陽能電池曾被《科學》《自然》分別評為「10大科技突破之一」，發展迅猛，被視為最具應用潛力的高效太陽能電池。一、鈣鈦礦太陽能電池的基本結構1.目前，常用的氣相法為雙源氣相沉積，即將金屬滷化物和有機銨鹽分別放在2個不同的蒸發源中，每一個蒸發源加熱到各自能夠揮發出氣體的合適溫度，然後滷化物和銨鹽同時在加熱的襯底上沉積進而反應。用2個源沉積MAI和PbCl2就可得到非常均勻的鈣鈦礦薄膜，並獲得15.4%的轉換效率。另外，採用連續原位沉積方法，得到了與雙源共同沉積類似的大晶粒鈣鈦礦薄膜，擁有更好的應用前景。
  • 【優博微展2019】李江偉:新型全無機滷素鈣鈦礦的材料製備與光電...
    李江偉：清華大學2019年度優秀博士學位論文獲獎者 新型全無機滷素鈣鈦礦的材料製備與光電性質研究太陽能電池能夠將清潔可再生的太陽能轉化為電能，為人類社會日益增長的能源需求提供解決方案。 近年來，有機無機雜化滷素鈣鈦礦因其在光伏領域的突出發展受到人們廣泛關注，但該類材料自身的不穩定性，尤其是高溫條件下受有機組分限制的熱不穩定，極大地制約了鈣鈦礦太陽能電池的產業化發展與應用，因此全無機滷素鈣鈦礦鈣鈦礦材料體系具有重要的研究意義。
  • 我國科學家優化鈣鈦礦太陽能電池性能
    近年來，有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池發展迅速，其光電轉化效率從3.8%發展到目前25.5%的認證效率，被視為最具有應用潛力的新型高效率太陽能電池之一雖然鈣鈦礦太陽能電池具有較高光電轉換效率，可與多晶矽薄膜電池媲美，但電池的長期穩定性未達到商業化要求。
  • 鈣鈦礦太陽能電池穩定性及發展前景
    鈣鈦礦太陽能電池，科學家們在最新研究中發現，一種鈣鈦礦結構的有機太陽能電池的轉化效率或可高達22.1%，為目前市場上太陽能電池轉化效率的2倍，能大幅降低太陽能電池的使用成本。放眼望去，染料敏化太陽能電池的創始人Grätzel早早就在有機無機雜化鈣鈦礦領域搶佔了一席之地，納米大牛Paul Alivisatos（Nano Letters主編）、華人納米大牛楊培東（JACS副主編）等等在無機鈣鈦礦領域也聲名顯赫……材料領域的老師們如今見面說的最多的一句話可能就是——「你們做鈣鈦礦了沒？」貌似在材料界混，你不做鈣鈦礦就out了。
  • 光電轉換效率為23%的高性能四電極鈣鈦礦/無機矽疊層太陽能電池
    鈣鈦礦/無機矽疊層太陽能電池的最大挑戰是研發與金屬有機滷化鈣鈦礦材料兼容的高電導透明電極。基於銀納米線的透明電極會和鈣鈦礦材料反應而影響電池的長期穩定性。傳統磁控濺射透明半導體氧化物過程中產生的高能顆粒會破化鈣鈦礦材料而降低電池性能。