继第 1 版《新兴光伏 (PV) 报告》发布后,该报告总结了自 2020 年 8 月以来学术期刊上的同行评审文章中所报道的新兴光伏器件在各种新兴光伏研究课题中性能的最佳成就。提供了更新的图表、表格和分析,其中包含多个性能参数,例如功率转换效率、开路电压、短路电流密度、填充因子、光利用效率和稳定性测试能量产量。这些参数表示为每种技术和应用的光伏带隙能量和平均可见光透射率的函数,并使用详细的平衡效率极限等进行透视。第 2 版《新兴光伏报告》将范围扩大到串联太阳能电池,并介绍了当前各种材料组合的串联太阳能电池性能的最新进展。
近年来,金属卤化物钙钛矿作为光伏器件中很有前途的光收集层,引起了越来越多的研究关注。迄今为止,使用螺环-OMeTAD 作为空穴传输层 (HTL) 是生产 PSC 的先决条件,其最高 PCE 可达 25% 以上。[1–3] 然而,在实现创纪录的 PCE 的同时,使用螺环-OMeTAD 也显著导致了钙钛矿层的快速降解。使用螺环-OMeTAD 给 PSC 带来的额外不稳定性源于添加到螺环-OMeTAD 中的掺杂剂,这些掺杂剂是改善 HTL 低固有电导率所必需的。[4–6] 截至撰写本文时,性能最高的 PSC 是使用锂双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺 (LiTFSI) 掺杂的螺环-OMeTAD 制备的,能够
光电探测器是指能够将入射光转换为电信号的光电子器件,是环境监测、消防和安全、光通信、太空探索和视频成像等多个领域的重要功能元件[1,2]。光电探测器采用了不同类型的半导体材料,例如GaN、InGaAs、Si、ZnO、碳纳米管、共轭聚合物和量子点[3]。基于这些材料的器件需要复杂而昂贵的制造成本和机械刚性。在过去的十年中,金属卤化物钙钛矿材料因其在光伏和光电子器件中的广泛应用而引起了研究人员的极大兴趣[4]。由于其突出的高性能、低成本和溶液可加工性,这类材料已经成为未来大量光伏和光电子器件的潜在候选材料[5]。在众多可用的金属卤化物中,甲基铵碘化铅 (MAPbI 3 ) 已被广泛研究用于光伏和光传感应用 [ 6 ]。事实上,钙钛矿材料在光伏器件中已经实现了显著的效率,但这些太阳能电池
由于单结钙钛矿太阳能电池(PSC)器件的光电转换效率(PCE)从3.8%1提高到25.7%2,作为最有前途的光伏器件之一,吸引了全世界的目光。然而,电极材料(如金或银)和有机空穴传输材料(如2,2 0 ,7,7 0 -四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9-9 0 -螺二芴,螺-OMeTAD)的成本较高,一定程度上限制了其商业化。碳的功函数(5.0 eV)与金的功函数(5.1 eV)相近3,理论上可以替代金作为PSC器件的对电极。2014年,H. Han教授等在Nature Communications上发表了题为“Better to the PSC”的文章。首次提出了一种基于碳电极的新型无HTM(空穴传输材料)全可印刷介观钙钛矿太阳能电池(p-MPSC)。4
1. 引言近年来,OLED 技术的巨大进步 [1,2,3] 和有机光伏 (OPV) 的迅猛发展证明了有机电子器件的工业和商业潜力。有报道称,体异质结设计中的经典有机光伏器件的效率接近 20%,而钙钛矿的效率甚至超过了这个值。这些里程碑式的进步使得此类发展如今既适用于小规模也适用于大规模应用 [4,5]。尽管如此,尽管最近电子器件和传感器取得了令人瞩目的进步,但下一代 OLED、太阳能电池和印刷电路(基于有机场效应晶体管 (OFET))的制造在寻找新型更高性能半导体、基板和封装材料、电介质和加工条件 [6–11] 等方面仍面临挑战。有机材料在 RF 范围内(即兆赫甚至更高频率)在空气中的稳定运行将支持许多能够与硅基 CMOS 电路竞争的新技术的开发 [8,12–18]。当这些新型电子元件与生物传感元件相结合时,将为开发一次性诊断和药物输送技术开辟可能性[19–29]。
四元铜银铋碘化合物代表了一类有前途的新型宽带隙 (2 eV) 半导体,可用于光伏和光电探测器应用。本研究利用气相共蒸发法制造 Cu 2 AgBiI 6 薄膜和光伏器件。研究结果表明,气相沉积薄膜的性质高度依赖于加工温度,表现出针孔密度增加,并根据沉积后退火温度转变为四元、二元和金属相的混合物。这种相变伴随着光致发光 (PL) 强度和载流子寿命的增强,以及在高能量 (≈ 3 eV) 下出现额外的吸收峰。通常,PL 增加是太阳能吸收材料的理想特性,但 PL 的这种变化归因于 CuI 杂质域的形成,其缺陷介导的光学跃迁决定了薄膜的发射特性。通过光泵太赫兹探测光谱法,揭示了 CuI 杂质阻碍了 Cu 2 AgBiI 6 薄膜中的载流子传输。还揭示了 Cu 2 AgBiI 6 材料的主要性能限制是电子扩散长度短。总体而言,这些发现为解决铜银铋碘化物材料中的关键问题铺平了道路,并指明了开发环境兼容的宽带隙半导体的策略。
单晶研究有助于更好地了解有机光伏器件的基本特性。因此,在这项工作中,厚度为 250 nm 至 1000 nm 的红荧烯单晶被用于生产倒置双层有机太阳能电池。接下来,研究了与单晶厚度相同的多晶红荧烯(正交、三斜)和非晶双层太阳能电池,以进行跨平台比较。为了研究单晶、多晶(三斜-正交)和非晶形式如何改变红荧烯/PCBM 界面处的载流子复合机制,进行了光强度测量。具有不同形式的红荧烯的有机太阳能电池中 JSC、VOC 和 FF 参数的光强度依赖性。除了双分子复合外,在采用非晶态和多晶态红荧烯的器件中还观察到单分子(Shockley Read Hall)复合,而由于供体受体界面的陷阱状态减少,单晶器件受陷阱辅助 SRH 复合的影响较小。迄今为止,这项提议的研究是唯一一项系统研究由不同结构形式的红荧烯制成的有机太阳能电池中的传输和界面复合机制的研究。
在金属卤化物钙钛矿领域,Cs 2 AgBiBr 6 双钙钛矿已成为包括太阳能电池在内的各种光电应用中有毒且不稳定的卤化铅钙钛矿的有效替代品。这归因于其出色的化学稳定性、无毒性质和卓越的光电特性,包括延长的载流子寿命。23 – 26 然而,Cs 2 AgBiBr 6 太阳能电池遇到了与效率相关的挑战,主要归因于其宽的 E g 。27 – 29 用杂质离子取代的过程已被认为是增强卤化物钙钛矿光学特性的有效方法。事实上,在众多策略中,替代因其简单性和易用性而脱颖而出。此外,它还具有在不干扰 LFHDP 晶体结构的情况下修改其性质的优势。 30 – 33 Ga 离子的加入已被证实是一种很有前途的掺杂剂,通过缓解复合,开路电压 (V oc ) 和 LL 因子 (FF) 均显著提高,从而提高效率。Ga 替代已证明具有通过减少表面陷阱来改善电荷传输的潜力。34 – 37 Boudoir 等人已将 Ga 掺杂到 Mg x Zn 1 − x O 中用于光伏器件,其浓度为 0.05(5%),他们表明 Ga 的这个浓度是最佳的。38 这个特定的浓度增强了器件性能,提高了捕获电荷载流子的效率。关于这个结果,本研究中使用了 0.05 Ga 浓度。本研究提出了一种新颖的探索方法,重点是将 Ga 成功掺入一种很有前途的 LFHDP 材料 Cs 2 AgBiBr 6 中。合成的 Cs 2 Ag 0.95 Ga 0.05 BiBr 6 经过 XRD、紫外可见光谱和太阳模拟器测量的全面检查。通过 XRD 分析阐明了材料的晶体结构和相纯度,从而深入了解了 Ga 取代对钙钛矿晶格的影响。紫外可见光谱深入研究了光学特性,揭示了吸收光谱的变化表明电子结构发生了变化。此外,太阳模拟器测量评估了 Cs 2 Ag 0.95 Ga 0.05-BiBr 6 的光转换效率和性能,使其成为光伏应用的有力候选者。这些表征技术的协同应用提供了对开创性 Cs 2 Ag 0.95 Ga 0.05 BiBr 6 的结构、光学和光伏特性的整体理解。这一贡献为可持续能源技术领域不断发展的 LFHDP 领域提供了宝贵的见解。重要的是,这项研究首次全面解释了 Cs 2 Ag 0.95 Ga 0.05 BiBr 6 引起的太阳能电池性能增强。
研究与专业经历 Giuseppe Valerio Bianco 于 2006 年以满分 (110/110) 优异成绩获得意大利巴里大学化学系“化学”荣誉学位,并于 2010 年获得巴里大学“创新材料化学”博士学位。他曾在微电子与微系统研究所 (CNR-IMM, Lecce Unit) 担任研究员两年 (2010-2012),并在无机方法与等离子体研究所 (CNR-IMIP, Bari Unit) 担任研究员三年 (2012-2014)。自 2015 年起,他一直在 CNR-NANOTEC 纳米技术研究所担任研究科学家。 对科学的贡献 他的主要科学活动和专业知识,由 55 篇国际期刊出版物 (h-index=19, SCOPUS)、n 证明。 1 项专利、23 篇会议论文集和 60 多篇会议论文(亦受邀),包括:(1) 用于合成 1D(半导体纳米线)、2D(石墨烯和过渡金属二硫属化物)和 3D(金属纳米颗粒)纳米结构材料的 CVD、等离子增强 CVD 和 PVD 方法;(2) 用于材料和纳米材料表面化学处理的湿法和等离子工艺。他是 CNR-Graphene Factory 门户网站普利亚石墨烯实验室部门的科学负责人,该门户网站负责传播石墨烯和二维材料的研究。正在进行的研究项目 2020 年“GRA4TEC,用于技术应用的石墨烯”,由华为技术有限公司(加拿大)资助。职位:首席研究员(PI);2020 年“GraFoMi,用于光子和微波器件的工程石墨烯”,由巴里理工大学资助。角色:首席研究员 (PI);2020 年“PHEMTRONICS,主动光学相变等离子体跨维度系统,实现飞焦耳和飞秒超宽带自适应可重构设备”,由 H2020-EU.1.2.1 资助。角色:共同 PI。已完成的研究项目 2019-2020 年“COPPER”由混合和有机太阳能中心 (CHOSE,意大利罗马) 资助,用于将大面积 CVD 石墨烯用作有机光伏器件中的透明导电层。 2018-2019 “用于屏蔽和光束控制的光学透明和可重构微波设备”,由美国陆军 RDECOM 资助,contratto W911NF-18-1-0263,角色:Co-PI;2016-2018 “TWINFUSYON,用于提高光电生物传感多功能纳米系统研究能力的孪生”,由 EC H2020-TWINN-2015(692034)资助。角色:研究团队成员;2013-2016 “MEM4WIN,用于零能耗建筑的先进、可调节和经济实惠的四层玻璃窗的超薄玻璃膜”,由 EC FP7-2012-NMP-ENV- ENERGY-ICT-EeB(314578)资助。角色:研究团队成员;2010-2013 “SENS&MICROLAB,创新传感器和普利亚大区资助的“航空微系统”项目(POFESR 2007-2013)。角色:研究团队成员;2010-2012“NIM-NIL,通过纳米压印光刻技术大面积制造 3D 负折射率超材料”由 EC-FP7-NMP-2008-SMALL-2-228637 资助。角色:研究团队成员;2008-2010 “NANOCHARM,利用椭圆偏振和偏振技术进行多功能纳米材料表征”由 EC FP7-NMP-2007-CSA-1 (218570) 资助。角色:研究团队成员。
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