作为钙钛矿太阳能电池(PSCs)的电子传输层(ETL)材料, 二氧化锡(SnO₂)表面及晶界处的氧空位缺陷会引发非辐射复合, 从而限制器件效率的进一步提升。本研究提出了一种低成本、高效的安赛蜜(ACE-K)修饰ETL策略。研究结果表明, ACE-K分子中的C=O和S=O与SnO₂表面未配位Sn⁴⁺相互作用, 显著钝化了SnO₂的氧空位缺陷, 薄膜电导率由4.60×10^-6 S·cm^-1提升至6.23×10^-6 S·cm^-1。同时ACE-K修饰改善了SnO₂薄膜的粗糙度(20.6 nm降低至14.0 nm)和润湿性, 为钙钛矿薄膜生长提供了更优质的基底。基于此ETL生长的钙钛矿薄膜晶粒尺寸从970.90 nm增大到1071.20 nm, 且薄膜吸光能力得到增强。空间限制电流(SCLC)测试发现优化后薄膜缺陷密度从4.84×10¹⁶ cm^-3降低至3.83×10¹⁶ cm^-3, 电化学阻抗谱(EIS)测试也证实载流子输运过程中的非辐射复合得到明显抑制。最终PSCs的光电转换效率(PCE)从19.27%提升至21.60%。此外, 未封装的ACE-K修饰器件在氮气氛围下储存2160 h后, 仍能保持初始效率的91.67%, 展现出优异的长期稳定性。

硒硫化锑(Sb₂(S,Se)₃)具有优异的光电特性, 是一种很有前景的光伏材料。然而, 目前Sb₂(S,Se)₃太阳能电池的最高光电转换效率(PCE)仍与理论极限有较大差距, 这部分归因于Sb₂(S,Se)₃薄膜中存在严重的载流子复合。本研究采用水热沉积法制备Sb₂(S,Se)₃薄膜, 在前驱体溶液中引入过程性添加剂甲脒亚磺酸(FSA), 不仅优化了Sb₂(S,Se)₃薄膜的(211)、(221)晶面取向和Se/S原子比例, 还控制了薄膜中载流子复合中心Sb₂O₃的含量。添加了FSA的太阳能电池的暗饱和电流密度(J₀)和复合阻抗(R_rec)分别为1.10×10⁻⁵ mA·cm⁻²和3147 Ω·cm⁻², 明显优于参照器件(J₀=5.17×10⁻⁵ mA·cm⁻², R_rec=974.3 Ω·cm⁻²), 表明FSA显著抑制了Sb₂(S,Se)₃太阳能电池的载流子复合。在AM 1.5G太阳光模拟器照射下, 添加了FSA的太阳能电池的开路电压(V_OC)、短路电流密度(J_SC)、填充因子(FF)和PCE的平均值分别为0.69 V、18.46 mA·cm⁻²、63.60%和8.04%, 较参照器件(0.67 V、17.82 mA·cm⁻²、62.27%和7.70%)均明显提升, 最优未封装器件PCE达8.21%, 在空气中老化120 d仍保持初始PCE的82.1%。

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。

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(V_oc)达到0.93 V, 短路电流密度(J_sc)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。

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。

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。

太阳能作为自然界中丰富的可持续清洁能源, 可以在解决当前能源短缺问题的同时有效减少因过度消耗化石燃料造成的环境污染问题。近年来, 第三代新型薄膜太阳能电池, 如染料敏化太阳能电池(DSSCs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)等, 凭借其原料丰富、制造成本低廉和光电性能良好等优点而受到广泛关注。然而, 新型薄膜太阳能电池器件的电荷传输性能和运行稳定性与正式商用的要求仍有一定差距。二维MXene材料具有比表面积高、表面官能团丰富、导电性优良、功函数可调和亲水性等优点, 已成为能源转换领域的研究热点。鉴于此, 本文在综述二维MXene材料的结构、光学和电学特性的基础上, 阐述了近些年二维MXene材料应用于新型薄膜太阳能电池的研究进展, 并重点探讨了二维MXene材料增强太阳能电池光电性能的机制。二维MXene材料可通过作为钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层和电荷传输层的添加剂、修饰染料敏化太阳能电池的光电阳极和制备电极, 来调整能带对齐、降低功函数、拓宽吸光范围和形成“柱撑效应”, 有效改善器件的光吸收效率、载流子迁移率和电荷提取能力, 从而提升器件的光电性能和稳定性。最后, 结合目前的研究进展, 对二维MXene材料在新型薄膜太阳能电池技术中的发展前景及面临的挑战提出了建议。

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。

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。

锡铅(Sn-Pb)混合钙钛矿在制备过程中常使用大量的氟化亚锡(SnF₂)添加剂来抑制Sn²⁺离子的氧化, 然而SnF₂过量会影响薄膜质量、器件的光电转化效率(PCE)和稳定性。因此, 开发低剂量的新型抗氧化剂对于实现高性能Sn-Pb混合钙钛矿电池至关重要。本研究采用两步法制备Sn-Pb混合钙钛矿薄膜, 在第一步中引入较低剂量的异辛酸亚锡(SnOct₂)替代SnF₂来抑制Sn²⁺的氧化。研究表明该添加剂可提高薄膜的结晶质量, 使得薄膜平均晶粒尺寸达到850 nm, 并且晶界数量减少。添加SnOct₂的薄膜在手套箱存放7 d后仍含有93.5%的Sn²⁺, 且由于SnOct₂具有优异的抗氧化性, 使得添加SnOct₂后器件的陷阱态密度更低, 从7.20×10¹⁵ cm^-3降低到4.74×10¹⁵ cm^-3, 抑制了非辐射复合。除此之外, SnOct₂还改善了钙钛矿薄膜的表面能级。最终, 添加0.030 mmol SnOct₂的Sn-Pb混合钙钛矿电池的PCE达到17.25%, 较添加0.10 mmol SnF₂的器件(11.63%)有显著提高; 且在氮气中保存50 d后, PCE仍保存其初始值的70%以上。

近年来, 钙钛矿太阳能电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)取得了重要进展, 其中, 电子传输层作为重要组成部分, 对PSCs的性能有显著影响。传统旋涂法制备的电子传输层(ETL)难以完全覆盖FTO透明导电衬底尖端, 使得钙钛矿薄膜与FTO衬底直接接触, 导致电荷复合, PSCs性能降低。针对这一问题, 本研究提出了一种原位生长方法, 在FTO玻璃衬底上制备共形的SnO₂薄膜。所得SnO₂薄膜不仅致密均匀, 而且能够覆盖FTO玻璃衬底尖端, 降低FTO衬底与钙钛矿薄膜的接触面积, 使在其上制备的钙钛矿薄膜具有更大的晶粒尺寸。此外, 共形的SnO₂薄膜还能促进SnO₂/钙钛矿界面电荷的有效提取, 降低PSCs的陷阱密度, 抑制陷阱辅助的电荷复合, 从而提升PSCs的PCE。对比实验发现, 当PSCs采用原位生长SnO₂薄膜时, 其PCE提升至21.97%, 相较于采用旋涂法制备的SnO₂薄膜(20.93%)有了明显提升, 表明原位生长SnO₂薄膜可用作理想的ETL。值得一提的是, 由于原位生长SnO₂方法无需添加具有强腐蚀性的盐酸和有毒的巯基乙酸, 未来亦可扩展应用于不耐腐蚀的ITO柔性透明导电衬底。