太阳能电池前沿研究成果精选【第2期】

本次文章涉及的范围从2018年3月12日——3月24日。

1、Adv. Energy Mater.：具有高耐受性耐热稳定的全聚合物太阳能电池

调整组成是优化有机本体异质结（BHJ）太阳能电池功率转换效率（PCE）的关键步骤。近日，苏州大学马万里、袁建宇（通讯作者）等人研究了两种高性能有机非富勒烯BHJ共混物PBDB-T：ITIC和PBDB-T：N2200共混比例对器件性能的影响。发现相对于聚合物分子（PBDB-T：ITIC）装置，聚合物-聚合物（PBDB-T：N2200）共混物的PCE对组成变化更耐受。在这两个系统中，短路电流密度（J_sc）与PCE密切相关，表明激子解离和传输对PCE有很大影响。在稀受体浓度下，聚合物-聚合物共混物相对于聚合物-分子共混物保持高电子迁移率，这解释了它们之间的PCE与D：A混合比函数之间的显著差异。 此外，聚合物-聚合物太阳能电池，尤其是高D：A混合比的聚合物-聚合物太阳能电池在无封装的手套箱中在80℃连续加热下70天内稳定（相对损失小于5％）。

文献链接：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.：稠环电子受体ITIC-Th：用于卤化物钙钛矿前体溶液的新型稳定剂

可溶液加工的钙钛矿太阳能电池在低成本制造方面具有巨大潜力。然而，老化前体溶液的退化将成为批量生产的关键障碍。近日，香港中文大学Xinhui Lu（通讯作者）团队采用小分子（ITIC-Th）来稳定含有混合阳离子和卤化物的钙钛矿前体溶液。发现ITIC-Th可以有效地抑制由老化前体溶液膜中黄色δ相的形成。因此，与由传统前驱体溶液制备的器件相比，由老化前驱体溶液和ITIC-Th制成的器件效率随着老化时间的增加而下降得更少。表征表明，ITIC-Th有利于CH₃NH₃阳离子结合到晶体结构中，促进钙钛矿相的形成。 此外，钙钛矿薄膜中ITIC-Th的存在引起了额外的光电流以及改进的填充因子，这是由于良好匹配的能级，缺陷的钝化以及互补吸收光谱。

文献链接：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]吡咯非富勒烯受体使有机太阳能电池的效率超过13％

近日，南京理工大学唐卫华、北京交通大学张福俊（共同通讯）等人设计并合成了一种新的富含电子的中心结构单元5,5,12,12-四（4-己基苯基） -二氮杂双（二噻吩并[3,2-b：2'，3'-d]吡咯）（INP）和两个衍生非富勒烯受体（INPIC和INPIC-4F）。由于INP具有令人满意的电子给予能力，两种分子显示宽（600-900nm）和强吸收。氟化非富勒烯受体INPIC-4F与其对应的INPIC相比，具有更强的近红外吸收，1.39eV更窄的光学带隙，结晶度更高，电子迁移率更高，下移最高占据分子轨道和最低未占用分子轨道能量水平。基于INPIC-4F的有机太阳能电池（OSC）具有13.13％的高功率转换效率（PCE）和0.54eV的相对较低的能量损失，这是文献中针对OSC报告的最高效率之一。

文献链接：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：全无机CsPbI₂Br高效率钙钛矿太阳能电池超过13％

有机-无机杂化新型钙钛矿太阳电池的稳定性问题仍然阻碍其进一步产业化。而全无机钙钛矿太阳电池中各功能层都拥有较好的热稳定性，制备高效、稳定的新型全无机钙钛矿太阳电池是解决有机-无机杂化钙钛矿太阳电池稳定性的重要手段。近日，暨南大学麦耀华（通讯作者）采用两步控温的方法，制备了高致密、全覆盖的CsPbI2Br无机钙钛矿薄膜，并将ZnO@C60双电子传输层结构引用于器件中，该结构比单层ZnO或C60具有更强的电子提取能力，以及更低的界面缺陷态密度。最终，基于FTO/NiOx/CsPbI2Br/ZnO@C60/Ag结构的全无机钙钛矿太阳电池经优化后取得了超过13%的能量转换效率，1000s内持续12%的光稳定输出效率，并且在85℃下加热360h，其效率仅损失20%。该研究工作为进一步解决钙钛矿太阳电池稳定性问题提出了新的思路和方案。

文献链接：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. 效率超过9％的真空沉积有机光伏电池的供体-受体-受体分子

近日，台湾大学汪根欉、密歇根大学Stephen R. Forrest（共同通讯）等人研究了三种真空沉积的供体 - 受体 - 受体（d-a-a'）小分子供体，其不同的侧链连接到用于高效有机光伏（OPV）的不对称异供体上。与具有2-乙基己基或正丁基链的分子相比，具有异丁基侧链的供体产生最高的结晶堆积密度，导致OPV中最大的吸收系数和短路电流。它还表现出更高的填充因子，与其促进垂直于基底方向上的电荷传输的平面外分子π-π堆叠排列一致。在1个光照强度，AM 1.5 G模拟太阳光照下实现9.3±0.5％的功率转换效率，其明显高于其他两个分子的7.5±0.4％。

文献链接：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. ：什么是一个好的太阳能电池？

近年来，各种太阳能电池技术的效率显著提高，新型光伏吸收材料-金属卤化物钙钛矿兴起。越来越接近热力学极限的转换效率需要对与这些极限相符的相应太阳能电池进行物理描述。德国于利希研究中心Thomas Kirchartz（通讯作者）团队总结了最近关于半导体材料的基本材料特性与其作为光伏吸收器的效率潜力之间相互依赖性的工作。讨论了经典的Shockley-Queisser方法与带隙能量作为唯一参数，更一般的辐射极限以及非辐射复合占优势的情况。论述了一致的损耗分析，可以对不同的太阳能电池技术进行定量比较。另外，考虑了影响半导体光伏性能的大块材料性质，如吸收系数，自由载流子态的密度或声子能量。结果表明，这些性质的变化对太阳能电池的优化设计有很大影响，但不一定取决于可实现的效率。

文献链接：What Makes a Good Solar Cell?（Adv. Energy Mater.,2018，DOI：10.1002/aenm.201703385）

7、Angew. Chem. Int. Ed.：染料掺入聚萘二酰亚胺受体用于无添加剂高性能全聚合物太阳能电池

全聚合物太阳能电池（全聚甲基丙烯酸甲酯）可为柔性器件的应用提供独特的优势，萘二酰亚胺（NDI）基聚合物受体是广泛使用的聚合物受体。然而，由于光吸收率低，能量水平不理想，以及基于NDI的聚合物受体的强聚集，其功率转换效率（PCE）仍落后于最先进的聚合物太阳能电池。 近日，南昌大学陈义旺、谌烈、中国科学院化学研究所张志国（共同通讯）等人通过简单的无规共聚将基于罗丹宁的染料分子引入基于NDI的聚合物受体，并且显示出改善的光吸收系数，升高的最低未占分子轨道水平和减少的结晶。因此，无添加剂的所有PSC显示出高达8.13％，这是迄今为止所有PSC报告的最高性能特征之一。

文献链接：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：介观氧化物双层作为电子接触用于高效和紫外稳定的钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池（PSC）的太阳能电力转换效率（PCE）最近已达到22.7％，超过薄膜光伏和市场领先的多晶硅。近日，瑞士洛桑联邦理工大学Michael Graetzel（通讯作者）等人引入介孔氧化双层作为电子选择性接触，其由被SnO₂薄膜覆盖的TiO₂纳米颗粒的支架组成，发现a-SnO₂的带隙大于晶体（四方）多晶型物的带隙，导致其导带边能量的相应升高，其与三重阳离子钙钛矿和TiO₂支架的导带边缘完全对齐。这使得能够从钙钛矿中快速提取电子，抑制电流-电压（J-V）曲线中的滞后现象，并阻止非辐射载流子复合。

文献链接：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. ：混合域增强了大量异质结小分子供体太阳能电池中的电荷产生和提取

聚合物-富勒体块异质结（BHJ）太阳能电池的纳米形貌与效率之间的相互作用一直是深入研究的主题，但是这些概念对于小分子（SM）BHJs的普遍性仍不清楚。近日，阿卜杜拉国王科学与技术大学 Frédéric Laquai、Pierre M. Beaujuge、华盛顿州立大学Brian A. Collins（共同通讯）等人研究了溶液添加剂组合物与性能之间的关系; 电荷产生，重组和提取动力学; 以及用两个SM供体苯并[1,2-b：4,5-b]二噻吩 - 吡啶并[3,4-b] - 吡嗪BDT（PPTh₂）₂即SM1和SM2可通过其侧链的不同而获得的纳米形貌。结果表明，添加剂1,8-二碘辛烷在共混物中起增塑剂的作用，增加了结构域的尺寸，并促进了有序/结晶度。令人惊讶的是，具有高域纯度（SM1）的体系显示出较差的激子收集和严重的电荷俘获，仅随着结晶度增加而略微减轻。相反，由混合区域和较低结晶度（SM2）组成的系统显示优异的激子收集和低电荷重组损失。

文献链接：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.：具有优化光捕获钙钛矿硅串联太阳能电池

钙钛矿-硅串联太阳能电池是很有吸引力的，廉价的解决方案，超越了市场领先的硅太阳能电池功率转换效率限制。虽然这种串联太阳能电池已被证明效率很高，但它们需要先进的光管理以有效利用太阳光谱。而且，为了将实验室规模设备的性能转移到商业规模的产品，必须以最小的光学损失进行面积放大。近日，imec–Partner in Solliance的Manoj Jaysankar、 Weiming Qiu（共同通讯）等人展示具有高效照明管理的四端子钙钛矿-硅串联太阳能模块。通过对完整串联堆栈的严格光学模拟，设计了光线管理概念，可最大限度地减少整体反射并增强子单元的互补吸收。光学优化使得四个端子串联功率转换效率在0.13cm²时达到25.3%，在4cm²时为23.9％，都超过独立硅太阳能电池功率转换效率23.0％。

文献链接：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，材料牛整理编辑。

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