近几年来, 钙钛矿太阳能电池器件光电转换效率的最高纪录不断被刷新, 但是关于钙钛矿太阳能电池稳定性的研究报道比较缺乏. 钙钛矿太阳能电池稳定性问题已经成为制约钙钛矿太阳能电池继续发展的瓶颈. 简要讨论了水氧气氛、温度变化、湿法制备、紫外光照等不同敏感环境条件下钙钛矿太阳能电池的化学稳定性问题, 进而对一定环境条件下钙钛矿太阳能电池的化学稳定性及其调控的研究现状进行了综述, 旨在更好地理解钙钛矿太阳能电池稳定性的基础理论问题, 为实现钙钛矿太阳能电池稳定性的调控提供基本依据.

基于染料敏化太阳能电池发展起来的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池经过不到5年的快速发展, 光电转换效率从最初的3.8%提高到了经过认证的17.9%. 但是常用结构的钙钛矿太阳能电池在性能测试过程中的电流-电压(I-V)曲线会随着测试器件扫描方向的不同而明显不同. 该现象被称为I-V滞回现象. 进一步研究发现I-V曲线还与扫描速度、起始测试的偏压值和光照历史明显相关. 本工作结合不同的器件构造, 就可能造成这种I-V滞回现象的不同原因进行了总结和分析, 并对如何获得可靠的光电转换效率的测试方法进行了评述.

制备了基于不同厚度(100～500 nm)多孔TiO₂层的钙钛矿太阳能电池, 并用SEM、XRD、紫外-可见吸收谱、电压-电流曲线、电化学阻抗谱进行了表征. 研究发现, 多孔TiO₂薄膜厚度对电池性能有很大影响, 即随着多孔TiO₂薄膜厚度的增加, 短路电流略有提高, 而开路电压和填充因子呈下降趋势；但同时, 较厚的多孔TiO₂薄膜可有效减弱滞回现象. 进一步采用电化学阻抗谱和暗态电流-电压曲线研究了载流子复合. 电化学阻抗谱表明, 膜厚增加会增大载流子复合但不会改变二极管理想因子. 通过拟合暗态电流-电压曲线得到反向饱和电流, 随着膜厚增加, 反向饱和电流会增大, 从而加剧了载流子复合. 通过优化多孔TiO₂薄膜厚度, 基于150 nm多孔TiO₂薄膜钙钛矿电池的认证效率达到15.56%.

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池因兼具低成本溶液加工和优异的光电转换性能在国际上倍受关注. 基于其吸收强、迁移率高、载流子寿命长、可调控带隙以及可采用多种方式加工等优势, 钙钛矿太阳电池在短短5年时间里, 实验室小面积器件的能量转换效率已经从低于5%提高到近20%, 模块器件的能量转换效率可达8.7%, 其效率超过了很多其他类型太阳电池, 接近可以商业化的水平. 借助于相关材料性质理解和电池设计优化, 钙钛矿太阳电池效率的进一步提升存在很大的潜力空间. 本文通过文献综述, 在回顾国内外钙钛矿太阳电池发展情况的基础上, 着重讨论影响钙钛矿太阳电池性能的其中两个重要因素: 薄膜形貌控制与界面工程, 并分析了钙钛矿太阳电池面临的基础科学问题以及展望该技术的未来前景.

介观太阳能电池(Mesoscopic Solar Cells)作为新一代太阳能电池的突出代表, 具有原材料来源丰富, 制备工艺简单, 光电转换效率高等优点, 从而具有广阔的应用前景. 本工作简要评述了全固态介观太阳能电池从染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells)发展到钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells)过程中新材料、新技术和新概念的研究进展. 1998年, Grätzel课题组首次将固态有机空穴传输材料spiro-OMeTAD应用到染料敏化太阳能电池中, 制备出全固态染料敏化太阳能电池, 虽然仅获得了0.74%的光电转换效率, 但是却使得全固态染料敏化太阳能电池迅速发展成为介观太阳能电池的重要研究方向. 2012年, Park与Grätzel课题组合作, 使用钙钛矿型吸光材料(CH₃NH₃)PbI₃作为敏化剂, spiro-OMeTAD作为空穴收集层, 制备出光电转换效率达到9.7%的全固态介观太阳能电池, 又被称为钙钛矿太阳能电池. 自此, 基于钙钛矿材料的介观太阳能电池迅速成为太阳能电池领域的研究热点. 目前, 钙钛矿太阳能电池的最高公证效率已经达到20.1%. 钙钛矿太阳能电池作为介观太阳能电池商业化道路上里程碑式的突破, 在材料开发、界面优化以及器件稳定性方面的研究仍充满挑战, 也期待新的突破.

有机-无机杂化钙钛矿材料是可通过溶液工艺低温制备得到的直接带隙半导体晶体薄膜. 在众多可溶液加工的半导体材料中, 有机-无机杂化钙钛矿薄膜是为数不多的低缺陷密度、双极子传输性能优异的晶体薄膜, 同时兼具宽光谱吸收和长载流子扩散距离等特性, 是平面异质结太阳能电池的理想选择. 另外, 作为低缺陷密度的直接带隙半导体晶体材料, 杂化钙钛矿薄膜具有优异的发光特性. 其发光波长可通过能带工程(在分子水平上改变其组分)进行调节, 因此有望在发光二极管和激光等光电器件中得到新应用. 总结了钙钛矿材料的优异特性和目前应用研究的进展, 并对其未来发展做了展望.

铅卤钙钛矿太阳能电池由于其低廉的成本, 简易的制备工艺和具有商业化潜力的效率等优点, 在最近两年里成为太阳能领域广受关注的新星. 铅卤钙钛矿太阳能电池的结构, 材料合成和制作工业在短时期内发生多项革命性的变化. 铅卤钙钛矿敏化型太阳能电池从最初使用液体电解液的敏化电池, 演变为固态敏化电池. 铅卤钙钛矿也从最初沉积在介孔膜的空隙的传统敏化结构, 演变为介孔空隙填充和致密覆盖层结合的混合型敏化结构. 通过这些结构的演化和材料制备的进步, 敏化型铅卤钙钛矿太阳能电池具备了较高的稳定性和高效率的两大优点. 对铅卤钙钛矿敏化型太阳能电池的研究进展进行简要综述.

成功构筑了基于聚合物给体P3HT/有机小分子TT-TTPA/富勒烯受体PC₆₁BM的三元共混有机太阳能电池. 共轭有机小分子TT-TTPA与PC₆₁BM有很好的相容性, 相分离很小. 溶剂退火和热退火时, 含量相对较少的TT-TTPA容易从P3HT相中脱离出来进入PC₆₁BM相, 增加P3HT的结晶空间, 从而提高P3HT的结晶度和相纯度. 通过引入少量的第三组分TT-TTPA, 制备的三元共混有机太阳能电池获得了4.41%的能量转换效率, 相对于P3HT/PC₆₁BM二元共混体系的效率(3.85%)提高显著.

有机无机杂化太阳能电池中, 电极缓冲层的选择对光电转换效率有着重要的影响. 理想的负极缓冲层兼具传输电子和阻挡空穴的作用, 而理想的正极缓冲层兼具传输空穴和阻挡电子的作用. 常见的无机电子传输材料主要有TiO₂和ZnO等, 而常见的无机空穴传输材料主要有CuI、CuSCN和NiO等. 本文就这些常见的无机缓冲层材料在有机无机杂化太阳能电池中的应用作一简要回顾, 并对其可能存在的问题进行了分析和评述.

采用液相连续沉积法制备了有机/无机杂化钙钛矿太阳电池, 并研究了不同形貌钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃)光活性层对太阳电池性能的影响. 实验结果表明在连续沉积法中PbI₂的结构对CH₃NH₃PbI₃层的形貌具有重要的影响, PbI₂薄膜中适当的孔洞结构有利于其与CH₃NH₃I充分反应形成CH₃NH₃PbI₃层. 致密的PbI₂层造成PbI₂的转化不完全, 导致CH₃NH₃PbI₃颗粒较小, 吸收较弱, 影响电池的短路电流. 而CH₃NH₃PbI₃颗粒过大会引起CH₃NH₃PbI₃薄膜孔洞产生, 造成电池的开路电压下降. 通过对电池制备工艺的优化获得了13.5%的最佳光电转换效率.

有机/无机杂化太阳能电池既可以兼容无机材料的高稳定性, 高载流子迁移率和成熟的制备工艺, 又可以利用有机材料分子结构的可塑性, 调节光谱吸收以及光学带隙, 以及简便的溶液制作过程, 具有取得高效率低成本太阳能电池的巨大潜力. 硅和有机物在低温下形成的异质结光伏电池吸引了广泛的研究, 目前最高光电转换效率已经达到13.8%. 而采用硅纳米线等纳米结构之后使在几十微米的低纯硅上制备高效太阳能电池成为可能, 柔性硅基底的杂化太阳能电池效率已经超过12%. 本文首先介绍了硅基杂化太阳能电池的结构、工作机理和使用的有机材料, 按硅的结构分为平面硅基和微纳结构硅基杂化太阳能电池, 重点概述了该类电池最近几年的发展状况, 分析了硅的结构、有机材料和制备工艺对器件性能的影响. 最后对众多研究方法进行了归纳总结, 对存在的问题和解决策略提出了展望.

相比较于硅太阳能电池而言, 染料敏化太阳能电池具有成本低廉、制备简单的特点. 在目前研究中, 普遍采用碘离子作为氧化还原电对, 然而碘元素本身具有腐蚀性, 长期使用会腐蚀对电极从而影响器件寿命, 而且此类电解液在可见光区内有很强的吸收, 也不利于光能向电能的转换. 本文采用了一种新型有机二硫化物, 2,5-二硫基-1,3,4-噻二唑, 作为氧化还原介质, 其不仅能够利用其自身自均聚/自解聚反应来实现光电转换过程, 降低对电极的腐蚀, 而且在可见光区内的吸收很低, 也有利于制作背入射式的染料敏化太阳能电池体系. 通过器件的优化, 可以分别实现1.6% (100 mW·cm^-2)和2.6% (13 mW·cm^-2)的光电转换效率.

还原橙3具有稠环结构, 但是其在许多有机溶剂中的不溶性阻碍其作为光伏材料的使用. 对还原橙3进行修饰得到还原橙3的衍生物4,10-双(4-己基-2-噻吩基)-6,12-双(二氰基亚乙烯基)二氢化蒽并蒽(TCVA), 对TCVA的光电性能进行研究, 结果表明, TCVA在紫外-可见光区有较强的吸收, 循环伏安法表明TCVA的HOMO和LUMO能级分别为-6.04和-4.42 eV, 将其与P3HT共混制备太阳能电池, 其效率为0.3%. 将还原橙3衍生物作为受体单元制备D-A结构的给体聚合物聚4,10-双(4-己基-2-噻吩基)-6,12-双(二氰基亚乙烯基)二氢化蒽并蒽连2,6-双(三甲基锡)-4,4-二(2-乙基己基)二噻吩并[3,2-b:2',3'-d]噻咯(PTCVADTS), 该聚合物有非常窄的带隙0.94 eV, 但是由于其LUMO能级较受体材料(6,6)-苯基-C₆₁(₇₁)-丁酸甲酯(PCBM)的LUMO能级小, 阻碍了激子的分离, 使电池器件的效率很低.

为了进一步提高电池的开路电压, 把吡啶并吡嗪核上的甲氧基苯换成辛氧基苯, 设计合成了一系列以三苯胺为给体、辛氧基苯取代的吡啶并[3,4-b]吡嗪为辅助受体、噻吩(呋喃、苯)为π-链、氰基乙酸为受体的新型染料敏化剂(OPP-I～Ⅲ). 对OPP-I～Ⅲ的光电化学性质、器件性能以及电荷转移动力学等进行了系统的测试及研究. 实验结果表明, 用辛氧基取代甲氧基, 能有效减少染料在TiO₂表面的聚集, 同时能阻止电解质和TiO₂导带的接触, 抑制电荷复合, 提高了开路电压. 最后, 在AM 1.5(100 mW·cm^-2)光强条件下, OPP-I敏化的电池最大光电转换效率为 6.57%(短路电流为 11.7 mA·cm^-2, 开路电压为 717 mV, 填充因子为 0.78).