太陽能電池前沿研究成果精選【第2期】

本次文章涉及的范圍從2018年3月12日——3月24日。

1、Adv. Energy Mater.：具有高耐受性耐熱穩定的全聚合物太陽能電池

調整組成是優化有機本體異質結（BHJ）太陽能電池功率轉換效率（PCE）的關鍵步驟。近日，蘇州大學馬萬里、袁建宇（通訊作者）等人研究了兩種高性能有機非富勒烯BHJ共混物PBDB-T：ITIC和PBDB-T：N2200共混比例對器件性能的影響。發現相對于聚合物分子（PBDB-T：ITIC）裝置，聚合物-聚合物（PBDB-T：N2200）共混物的PCE對組成變化更耐受。在這兩個系統中，短路電流密度（J_sc）與PCE密切相關，表明激子解離和傳輸對PCE有很大影響。在稀受體濃度下，聚合物-聚合物共混物相對于聚合物-分子共混物保持高電子遷移率，這解釋了它們之間的PCE與D：A混合比函數之間的顯著差異。 此外，聚合物-聚合物太陽能電池，尤其是高D：A混合比的聚合物-聚合物太陽能電池在無封裝的手套箱中在80℃連續加熱下70天內穩定（相對損失小于5％）。

文獻鏈接：Thermally Stable All-Polymer Solar Cells with High Tolerance on Blend Ratios（Adv. Energy Mater.,2018，DOI:10.1002/aenm.201800029)

2、Adv. Energy Mater.：稠環電子受體ITIC-Th：用于鹵化物鈣鈦礦前體溶液的新型穩定劑

可溶液加工的鈣鈦礦太陽能電池在低成本制造方面具有巨大潛力。然而，老化前體溶液的退化將成為批量生產的關鍵障礙。近日，香港中文大學Xinhui Lu（通訊作者）團隊采用小分子（ITIC-Th）來穩定含有混合陽離子和鹵化物的鈣鈦礦前體溶液。發現ITIC-Th可以有效地抑制由老化前體溶液膜中黃色δ相的形成。因此，與由傳統前驅體溶液制備的器件相比，由老化前驅體溶液和ITIC-Th制成的器件效率隨著老化時間的增加而下降得更少。表征表明，ITIC-Th有利于CH₃NH₃陽離子結合到晶體結構中，促進鈣鈦礦相的形成。 此外，鈣鈦礦薄膜中ITIC-Th的存在引起了額外的光電流以及改進的填充因子，這是由于良好匹配的能級，缺陷的鈍化以及互補吸收光譜。

文獻鏈接：Fused-Ring Electron Acceptor ITIC-Th: A Novel Stabilizer for Halide Perovskite Precursor Solution（Adv. Energy Mater.,2018，DOI：10.1002/aenm.201703399?)

3、Adv. Mater.：二噻吩并[3,2-b：2'，3'-d]吡咯非富勒烯受體使有機太陽能電池的效率超過13％

近日，南京理工大學唐衛華、北京交通大學張福俊（共同通訊）等人設計并合成了一種新的富含電子的中心結構單元5,5,12,12-四（4-己基苯基） -二氮雜雙（二噻吩并[3,2-b：2'，3'-d]吡咯）（INP）和兩個衍生非富勒烯受體（INPIC和INPIC-4F）。由于INP具有令人滿意的電子給予能力，兩種分子顯示寬（600-900nm）和強吸收。氟化非富勒烯受體INPIC-4F與其對應的INPIC相比，具有更強的近紅外吸收，1.39eV更窄的光學帶隙，結晶度更高，電子遷移率更高，下移最高占據分子軌道和最低未占用分子軌道能量水平。基于INPIC-4F的有機太陽能電池（OSC）具有13.13％的高功率轉換效率（PCE）和0.54eV的相對較低的能量損失，這是文獻中針對OSC報告的最高效率之一。

文獻鏈接：Dithieno[3,2-b:2′,3′-d]pyrrol Fused Nonfullerene Acceptors Enabling Over 13% Efficiency for Organic Solar Cells（Adv.Mater.,2018，DOI：10.1002/adma.201707150)

4、JACS：全無機CsPbI₂Br高效率鈣鈦礦太陽能電池超過13％

有機-無機雜化新型鈣鈦礦太陽電池的穩定性問題仍然阻礙其進一步產業化。而全無機鈣鈦礦太陽電池中各功能層都擁有較好的熱穩定性，制備高效、穩定的新型全無機鈣鈦礦太陽電池是解決有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池穩定性的重要手段。近日，暨南大學麥耀華（通訊作者）采用兩步控溫的方法，制備了高致密、全覆蓋的CsPbI2Br無機鈣鈦礦薄膜，并將ZnO@C60雙電子傳輸層結構引用于器件中，該結構比單層ZnO或C60具有更強的電子提取能力，以及更低的界面缺陷態密度。最終，基于FTO/NiOx/CsPbI2Br/ZnO@C60/Ag結構的全無機鈣鈦礦太陽電池經優化后取得了超過13%的能量轉換效率，1000s內持續12%的光穩定輸出效率，并且在85℃下加熱360h，其效率僅損失20%。該研究工作為進一步解決鈣鈦礦太陽電池穩定性問題提出了新的思路和方案。

文獻鏈接：All-Inorganic CsPbI₂Br Perovskite Solar Cells with High Efficiency Exceeding 13%（J.Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.7b13229）

5、Adv. Energy Mater. 效率超過9％的真空沉積有機光伏電池的供體-受體-受體分子

近日，臺灣大學汪根欉、密歇根大學Stephen R. Forrest（共同通訊）等人研究了三種真空沉積的供體 - 受體 - 受體（d-a-a'）小分子供體，其不同的側鏈連接到用于高效有機光伏（OPV）的不對稱異供體上。與具有2-乙基己基或正丁基鏈的分子相比，具有異丁基側鏈的供體產生最高的結晶堆積密度，導致OPV中最大的吸收系數和短路電流。它還表現出更高的填充因子，與其促進垂直于基底方向上的電荷傳輸的平面外分子π-π堆疊排列一致。在1個光照強度，AM 1.5 G模擬太陽光照下實現9.3±0.5％的功率轉換效率，其明顯高于其他兩個分子的7.5±0.4％。

文獻鏈接：Donor–Acceptor–Acceptor's Molecules for Vacuum‐Deposited Organic Photovoltaics with Efficiency Exceeding 9%（Adv. Energy Mater.,2018，DOI：10.1002/aenm.201703603)

6、Adv. Energy Mater. ：什么是一個好的太陽能電池？

近年來，各種太陽能電池技術的效率顯著提高，新型光伏吸收材料-金屬鹵化物鈣鈦礦興起。越來越接近熱力學極限的轉換效率需要對與這些極限相符的相應太陽能電池進行物理描述。德國于利希研究中心Thomas Kirchartz（通訊作者）團隊總結了最近關于半導體材料的基本材料特性與其作為光伏吸收器的效率潛力之間相互依賴性的工作。討論了經典的Shockley-Queisser方法與帶隙能量作為唯一參數，更一般的輻射極限以及非輻射復合占優勢的情況。論述了一致的損耗分析，可以對不同的太陽能電池技術進行定量比較。另外，考慮了影響半導體光伏性能的大塊材料性質，如吸收系數，自由載流子態的密度或聲子能量。結果表明，這些性質的變化對太陽能電池的優化設計有很大影響，但不一定取決于可實現的效率。

文獻鏈接：What Makes a Good Solar Cell?（Adv. Energy Mater.,2018，DOI：10.1002/aenm.201703385）

7、Angew. Chem. Int. Ed.：染料摻入聚萘二酰亞胺受體用于無添加劑高性能全聚合物太陽能電池

全聚合物太陽能電池（全聚甲基丙烯酸甲酯）可為柔性器件的應用提供獨特的優勢，萘二酰亞胺（NDI）基聚合物受體是廣泛使用的聚合物受體。然而，由于光吸收率低，能量水平不理想，以及基于NDI的聚合物受體的強聚集，其功率轉換效率（PCE）仍落后于最先進的聚合物太陽能電池。 近日，南昌大學陳義旺、諶烈、中國科學院化學研究所張志國（共同通訊）等人通過簡單的無規共聚將基于羅丹寧的染料分子引入基于NDI的聚合物受體，并且顯示出改善的光吸收系數，升高的最低未占分子軌道水平和減少的結晶。因此，無添加劑的所有PSC顯示出高達8.13％，這是迄今為止所有PSC報告的最高性能特征之一。

文獻鏈接：Dye-Incorporated Polynaphthalenediimide Acceptor for Additive-Free High-Performance All-Polymer Solar Cells（Angew. Chem. Int. Ed.,2018,DOI：10.1002/anie.201800035）

8、Nano Letters：介觀氧化物雙層作為電子接觸用于高效和紫外穩定的鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的太陽能電力轉換效率（PCE）最近已達到22.7％，超過薄膜光伏和市場領先的多晶硅。近日，瑞士洛桑聯邦理工大學Michael Graetzel（通訊作者）等人引入介孔氧化雙層作為電子選擇性接觸，其由被SnO₂薄膜覆蓋的TiO₂納米顆粒的支架組成，發現a-SnO₂的帶隙大于晶體（四方）多晶型物的帶隙，導致其導帶邊能量的相應升高，其與三重陽離子鈣鈦礦和TiO₂支架的導帶邊緣完全對齊。這使得能夠從鈣鈦礦中快速提取電子，抑制電流-電壓（J-V）曲線中的滯后現象，并阻止非輻射載流子復合。

文獻鏈接：Mesoscopic Oxide Double Layer as Electron Specific Contact for Highly Efficient and UV Stable Perovskite Photovoltaics（Nano Lett.,2018,DOI:10.1021/acs.nanolett.7b05469）

9、Adv. Energy Mater. ：混合域增強了大量異質結小分子供體太陽能電池中的電荷產生和提取

聚合物-富勒體塊異質結（BHJ）太陽能電池的納米形貌與效率之間的相互作用一直是深入研究的主題，但是這些概念對于小分子（SM）BHJs的普遍性仍不清楚。近日，阿卜杜拉國王科學與技術大學?Frédéric Laquai、Pierre M. Beaujuge、華盛頓州立大學Brian A. Collins（共同通訊）等人研究了溶液添加劑組合物與性能之間的關系; 電荷產生，重組和提取動力學; 以及用兩個SM供體苯并[1,2-b：4,5-b]二噻吩 - 吡啶并[3,4-b] - 吡嗪BDT（PPTh₂）₂即SM1和SM2可通過其側鏈的不同而獲得的納米形貌。結果表明，添加劑1,8-二碘辛烷在共混物中起增塑劑的作用，增加了結構域的尺寸，并促進了有序/結晶度。令人驚訝的是，具有高域純度（SM1）的體系顯示出較差的激子收集和嚴重的電荷俘獲，僅隨著結晶度增加而略微減輕。相反，由混合區域和較低結晶度（SM2）組成的系統顯示優異的激子收集和低電荷重組損失。

文獻鏈接：Mixed Domains Enhance Charge Generation and Extraction in Bulk‐Heterojunction Solar Cells with Small‐Molecule Donors（Adv. Energy Mater.,2018，DOI：10.1002/aenm.201702941）

10、Energ. Environ. Sci.：具有優化光捕獲鈣鈦礦硅串聯太陽能電池

鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池是很有吸引力的，廉價的解決方案，超越了市場領先的硅太陽能電池功率轉換效率限制。雖然這種串聯太陽能電池已被證明效率很高，但它們需要先進的光管理以有效利用太陽光譜。而且，為了將實驗室規模設備的性能轉移到商業規模的產品，必須以最小的光學損失進行面積放大。近日，imec–Partner in Solliance的Manoj Jaysankar、?Weiming Qiu（共同通訊）等人展示具有高效照明管理的四端子鈣鈦礦-硅串聯太陽能模塊。通過對完整串聯堆棧的嚴格光學模擬，設計了光線管理概念，可最大限度地減少整體反射并增強子單元的互補吸收。光學優化使得四個端子串聯功率轉換效率在0.13cm²時達到25.3%，在4cm²時為23.9％，都超過獨立硅太陽能電池功率轉換效率23.0％。

文獻鏈接：Perovskite-silicon tandem solar modules with optimised light harvesting（Energ. Environ. Sci.,2018,DOI:10.1039/C8EE00237A）

本文由材料人Allen供稿，材料牛整理編輯。

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