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。

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。

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。

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。

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。Cs_0.05MA_0.35FA_0.6PbI₃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。Cs_0.05MA_0.35FA_0.6PbI₃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。

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%。

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。

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NiO_x介孔层作为空穴传输层(HTL), 对比了NiO_x介孔层不同制备方法对电池性能的影响, 并对NiO_x介孔层的厚度进行优化。研究发现, 与旋涂工艺制备的NiO_x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(V_OC)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。

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。

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。

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。

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。