二氧化钛(TiO₂)是钙钛矿太阳电池中最常用的电子传输材料, 研究发现其形态对MAPbBr₃太阳电池的器件转化效率可产生直接影响。研究不同形态TiO₂对钙钛矿太阳电池转化效率的影响机制对进一步认识此类太阳电池的工作机理十分必要。本工作使用旋涂法制备了不同形态的TiO₂, 而后采用反溶剂室温结晶的方法在TiO₂基底上进一步制备MAPbBr₃(MA = CH₃NH₃)薄膜, 并通过X射线光电子能谱(XPS)详细研究了TiO₂与MAPbBr₃接触界面的能级位置关系。研究结果表明: 不同形态的TiO₂ 在与钙钛矿接触后形成的导带差异不同; 不同的导带能级差可直接影响MAPbBr₃钙钛矿电池中电子的传递与收集, 进而影响电池的转化效率。

量子点敏化太阳能电池(Quantum Dot-Sensitized Solar cells, QDSCs)制备工艺简单, 制造成本低廉, 是一种有希望的新型太阳能电池。QDSCs利用量子点具有光谱吸收强、尺寸可调和多激子效应等优点, 能够提高其光电转换效率; 同时, 利用无机量子点替代染料作为敏化剂, 能够解决染料敏化太阳能电池(DSCs)的稳定性问题。但是, QDSCs光电转换效率较低是制约其应用的主要问题。近年来, 通过改变和调控对电极的材料和电子特性提高QDSCs的光电效率的方法受到了广泛关注。本文综述了QDSCs对电极材料的制备方法、微观形貌和晶体结构; 重点分析了金属化合物、复合材料、杂化材料、多元金属硫族化合物、导电聚合物和碳材料对电极对量子点敏化太阳能电池的电荷转移阻抗、光电性能等参数的影响; 并分析影响其电催化活性和电子传输性能的主要因素。最后, 提出通过表面修饰、复合和杂化等方法构筑新型对电极材料, 进而改善和提高QDSCs转换效率和稳定性, 是今后的研究重点和研究方向。

采用水热合成法制备基于钛箔的ZnO纳米片薄膜, 采用化学浴沉积法在ZnO纳米片薄膜表面原位沉积ZnO纳米粒和微球, 制备了ZnO纳米片/纳米粒/微球复合结构薄膜, 并将膜组装成柔性染料敏化太阳能电池。研究了钛箔预处理方式、化学浴沉积工艺对ZnO薄膜和电池性能的影响。采用X射线衍射仪、透射电子显微镜和扫描电子显微镜对钛箔和ZnO薄膜的物相组成和形貌进行表征, 采用太阳光模拟器和数字源表测试了电池的J-V光电性能曲线, 通过电化学阻抗谱分析了电池内部电子传输情况。研究结果表明: 当钛箔基底采用酸抛光处理, 将所得ZnO纳米片膜用已经预热24 h的0.15 mol/L二水乙酸锌甲醇溶液改性5 h, 所得电池光电性能最好, 其短路电流密度、开路电压、填充因子和光电转化率分别为11.26 mA/cm², 0.67 V, 0.60和4.51%。

采用第一性原理广义梯度近似+U(GGA+U)方法计算了纤锌矿结构Zn_1-xMg_xO(ZMO)(0≤x≤0.25)合金的能带结构。计算表明: 随着Mg组分增加, ZMO化合物的导带底及费米能级均向真空能级方向移动, 带隙增宽。基于理论计算得到ZMO的能带结构参数, 使用SCAPS软件对ZMO作窗口层的CdTe薄膜太阳电池的性能进行了仿真模拟, 并将研究结果与CdS作窗口层的CdTe太阳电池的性能进行了比较。结果表明: Mg在ZMO中的含量0≤x≤0.125时, ZMO/CdTe太阳电池具有比CdS/CdTe太阳电池更高的开路电压和短路电流密度; ZMO的导带底高出CdTe导带底约0.13 eV时, CdTe薄膜太阳电池的转换效率最高, 达到18.29%。这些结果为高效率碲化镉薄膜太阳电池的结构设计和器件制备提供了理论指导。

聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)是平面结构钙钛矿太阳电池中空穴传输层的典型材料, 为了改善其导电性能以及促进后续钙钛矿层的生长, 本文将碳纳米管(CNTs)和二甲基亚砜(DMSO)同时引入PEDOT:PSS进行共修饰。结果表明: CNTs和DMSO在CNT-DMSO-PEDOT:PSS共修饰膜中展现了优异的协同效应。均匀贯穿于基体且几近网格状的CNTs具有促进后续钙钛矿层生长及降低共修饰膜方块电阻的功能; DMSO扮演着加强共修饰膜的导电能力及控制CNTs流失的角色。因此, 与单修饰膜相比, 共修饰膜不仅能更有效地传输电荷, 而且其表面生长的钙钛矿层晶粒尺寸更大, 覆盖率更高。此外, 共修饰膜在可见光范围内仍然保持优异的透光率, 550 nm波长处的透光率为88.8%。组装成器件后, 共修饰膜的光电转换效率(PCE)为5.75%, 远高于CNTs和DMSO单修饰膜及纯PEDOT:PSS膜, 后三者的PCE分别为3.01%、2.03%和1.30%。

硫化钴纳米材料是一种重点研究的染料敏化太阳能电池对电极材料。本工作以氟掺杂二氧化锡导电玻璃为基片, 采用反向恒压电沉积法制备透明硫化钴薄膜。实验结果表明: 电镀溶液的pH是硫化钴薄膜表面形貌形成的关键性因素, 而电沉积圈数可以有效控制硫化钴薄膜的厚度。电化学测试结果表明: 硫化钴薄膜对电极展现出了良好的电催化活性, 尤其是在电镀溶液pH为7.2、电沉积圈数为12圈的最佳条件下制备的硫化钴对电极具有大量的纳米薄片状结构, 有利于增加电催化活性位点, 使得其展现出了比铂电极更加优异的电催化性能。由此电极组装的染料敏化太阳能电池的能量转换效率达到7.26%, 10个电池器件的平均效率为7.18%, 高于相应铂电极器件的电池效率(6.94%)。

从废弃的太阳能电池片中回收多晶硅原材料对于环境保护和材料的循环再利用具有重要意义。本文研究了用化学溶解和超声清洗回收电池片的最佳条件。分别对实验样品进行EDS、SEM、XPS分析, 得出结论: 电池片与质量分数为10%的氢氧化钠溶液反应18 min完全去除铝电极, 且硅晶片的损失率较小; 将完全去除铝电极的电池片在40 kHz超声清洗20 min后银电极完全剥落; 电池片与40%氢氟酸溶液反应10 min可以去除氮化硅膜。本研究对质量为8.9068 g的单片电池片进行了定量分析, 除去的铝电极质量为1.1102 g, 回收得到了0.0766 g的银电极和7.7169 g的硅晶片。

有机-无机钙钛矿材料因为具有光谱吸收范围宽、缺陷密度低、载流子复合率低等非常优良的光电性能吸引了广泛关注, 掀起了钙钛矿材料研究热潮。近年来杂化钙钛矿型太阳能电池发展迅速, 光电转化效率目前已达到22.1%, 展现出极大的应用潜力。与多晶薄膜相比, 单晶具有极低的缺陷密度和极少的界面缺陷。多个课题组成功培养出大尺寸钙钛矿单晶, 发现钙钛矿单晶材料具有比其他薄膜多晶材料更好的光响应特性, 是设计制备光伏器件的理想材料。在各类钙钛矿材料中, CH₃NH₃PbI₃是研究和应用最广泛的一类钙钛矿材料。本文主要针对近年来CH₃NH₃PbI₃单晶材料的研究制备进行综述, 介绍了CH₃NH₃PbI₃单晶材料的结构及性能, 重点总结了CH₃NH₃PbI₃单晶材料生长制备方法和应用, 并对其发展趋势进行了展望。

由于优异的光电性能与环境稳定性, 全无机铯铅卤化物CsPbX₃(X=Cl, Br, I)钙钛矿材料自2015年起逐渐成为光电领域的研究热点, 在诸多电子、光电子器件的应用研究中取得了突破性进展, 受到了科学界的广泛关注。本综述结合铯铅卤化物钙钛矿型平面异质结LED的最新研究进展, 对器件的结构及其工作原理进行扼要的介绍, 并着重从提高LED器件发光性能和工作稳定性方面进行优化策略的归类与总结, 最后就稳定高效的无机钙钛矿型平面异质结LED的发展趋势进行了展望。

随着光伏产业、平板显示技术的发展, 市场对于透明导电材料的需求量迅速增加。传统的透明导电材料氧化铟锡(ITO)面临着资源不足、脆性大的问题, 无法满足市场需求。铜纳米线透明电极导电性好、成本低、柔性好, 是一种有潜力的新一代透明导电材料。近年来, 铜纳米线的合成及其在透明导电领域的应用引起了研究人员的关注, 并取得显著的进展。本文从铜纳米线的合成方法、合成机理, 铜纳米线透明电极的制备方法及后处理手段, 铜纳米线透明电极在光伏器件、电加热元件、柔性可穿戴器件中的应用等方面的研究进展进行了阐述。并对铜纳米线研究及应用前景进行了展望。

作为一类新型薄膜太阳能电池, 近年来钙钛矿太阳电池的发展十分迅速, 其效率已接近商业化硅基太阳能电池, 但是钙钛矿薄膜在空气中稳定性较差, 严重限制了其进一步的商业化应用。本研究通过在钙钛矿薄膜中添加聚4-乙烯吡啶(PVP)来增强钙钛矿薄膜在空气中的稳定性。通过形貌、结构及性能测试, 发现相比于未添加PVP的钙钛矿薄膜, 添加PVP的钙钛矿薄膜形貌更均匀致密。添加0.4wt% PVP将钙钛矿太阳电池的光电效率从6.09%提升到13.07%, 而且, 存放在相对湿度超过50%的空气中, 其电池效率衰减为一半的时间由原来的3 d延长到3 w, 但是过多的PVP添加量会导致PbI₂与CH₃NH₃I反应不完全。添加PVP工艺进一步优化后, 有望用于大面积、高稳定性的钙钛矿薄膜的制备。

采用水相共沉积法制备Ag₂Se量子点(QDs), 并与染料共敏化制备固态染料敏化太阳能电池(DSSCs)。考察了Ag₂Se量子点不同敏化方式(TiO₂/N719/QDs, TiO₂/QDs/N719)及敏化时间(0~5 h)对DSSCs性能的影响。通过透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见光谱图(UV-Vis)对Ag₂Se量子点结构及光学性质进行了表征; 采用光调制光电流/电压谱(IMPS/VS)以及交流阻抗谱(EIS)对器件中载流子传输过程进行了研究。TiO₂/QDs/N719的电池器件比TiO₂/ N719/QDs具有更高的单色光量子转化效率(IPCE)及光电转化效率, 这是由于TiO₂/QDs/N719可以吸附更多的量子点和染料。随着Ag₂Se量子点敏化时间的延长, 光电转化效率先提高后降低, 最高达到3.97%。Ag₂Se量子点在器件中起到了阻挡层作用, 可以促进电子传输, 抑制电子-空穴复合。而随着量子点敏化时间超过2 h, 电子陷入陷阱的几率增加, 导致器件的光伏性能下降。

硅基太阳能电池占据着光伏发电的最大份额, 但是在阳光下其工作温度过高会降低电池效率和功率输出, 因此降低硅基太阳能电池在阳光下的工作温度具有重要意义。本研究以氯化亚锡和三氯化锑为原料, 通过简单的溶胶-凝胶法制备锑掺杂氧化锡(ATO)薄膜, 将其作为硅电池盖板, 研究了锑(Sb)掺杂量和薄膜厚度对薄膜红外阻隔性能和硅电池降温性能的影响。研究表明, ATO薄膜的红外遮蔽性能随薄膜厚度增加而提高, 但可见光透过率随之降低。用AM1.5太阳光持续照射30 min后, 使用旋涂1~4层ATO薄膜盖板的硅电池温度比使用普通玻璃盖板的电池最大降低2.7 ℃, 晶硅电池效率可以保持在10.79%以上。此外, 使用10mol%锑掺杂的3层ATO薄膜盖板的硅电池在连续光照30 min后, 温度比使用普通玻璃盖板最大降低1.5 ℃, 效率提高了0.43%。