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鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備方法出現(xiàn)新進(jìn)展

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備方法出現(xiàn)新進(jìn)展
泰科諾  2025-07-19  |  閱讀:103

前言:雜化鈣鈦礦晶體主要是將無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)鹽充分混合及反應(yīng)后,然后將得到的前驅(qū)體溶液在介孔材料中的孔隙內(nèi)組裝而形成的。一般來(lái)說(shuō),制備雜化鈣鈦礦晶體薄膜的方法有:①一步溶液旋涂法;②雙源氣相沉積法;③兩步溶液浸漬法。


①一步溶液旋涂法是將等摩爾比的CH3NH3I和PbI2的γ-丁內(nèi)酯或DMF溶液,然后將其旋涂在介孔TiO2薄膜上,通過(guò)自組裝形成雜化鈣鈦礦,再經(jīng)過(guò)退火后,即能獲得完整的晶形。一步溶液旋涂法的優(yōu)點(diǎn)有:(1)操作簡(jiǎn)單;(2)可以制備出完整性比較好的雜化鈣鈦礦晶體薄膜。一步溶液旋涂法的缺點(diǎn)有:(1)不能精確地控制形貌以及厚度;(2)一步溶液法形成的薄膜,其不但均勻性比較差,而且存在許多的形態(tài)缺陷;(3)由于原料中同時(shí)存在有機(jī)組分和無(wú)機(jī)組分,較難選擇同時(shí)溶解二者的溶劑,除此之外,還要考慮金屬價(jià)態(tài)穩(wěn)定性、溶解性和溶解度等因素,而這些因素將會(huì)對(duì)效率造成一定的影響。


②雙源氣相沉積法首先是把PbI2源和CH3NH3PbI3源按照特定的速度進(jìn)行蒸發(fā),然后在介孔TiO2上進(jìn)行沉積,即可得到雜化鈣鈦礦晶體薄膜。氣相沉積法的優(yōu)點(diǎn)有:(1)能夠很好地控制薄膜的均勻度和厚度;(2)最終得到的薄膜材料具備較低的單分子復(fù)合速率和較高的載流子遷移率。氣相沉積法的缺點(diǎn)有:(1)難以平衡無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)鹽二者的蒸發(fā)速率;(2)有機(jī)陽(yáng)離子在高溫下可能會(huì)發(fā)生蒸發(fā);(3)不同種類的有機(jī)陽(yáng)離子將會(huì)對(duì)熱蒸發(fā)設(shè)備造成污染。


③兩步溶液浸漬法首先將PbI2與DMF溶液與γ-丁內(nèi)脂進(jìn)行混合,然后旋涂到介孔TiO2薄膜上沉積PbI2,然后將其與CH3NH3PbI3的1-丁醇溶液進(jìn)行混合,最終進(jìn)行干燥,即可得到產(chǎn)物雜化鈣鈦礦晶體薄膜。兩步浸漬法的優(yōu)點(diǎn)有:(1)可以得到完整性高的薄膜;(2)可以準(zhǔn)確地控制薄膜的形貌和厚度;(3)其制備出的雜化鈣鈦礦薄膜具有良好的覆蓋率以均勻度;(4)能夠適用于無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)鹽互補(bǔ)相容的組分。兩步浸漬法的缺點(diǎn)主要為制備條件苛刻,其必須在氮?dú)獗Wo(hù)的干燥環(huán)境下進(jìn)行,不然難以得到性能良好的器件。


正文:鈣鈦礦太陽(yáng)能電池自從2009年首次報(bào)道以來(lái)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展。大部分溶液法制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池已認(rèn)證的效率達(dá)到20%以上。然而幾乎所有高效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池都是用旋涂法制備的,這種制備方法無(wú)法滿足工業(yè)化的高吞吐量與規(guī)模化制備的要求。研究者研發(fā)了幾種適用于規(guī)模化生產(chǎn)的鈣鈦礦薄膜制備方法,如:刮刀涂布法、噴霧沉積法、噴墨打印法和電沉積等。其中,由于刮刀涂布法的基底溫度可控,因此在規(guī)?;苽涓哔|(zhì)量、大晶粒鈣鈦礦薄膜方法中脫穎而出。值得欣慰的是刮刀涂布法制備的鈣鈦礦太陽(yáng)電池效率以及高達(dá)19%,已經(jīng)十分接近旋涂法制備的器件。商業(yè)化生產(chǎn)不僅要滿足與規(guī)模化生產(chǎn),還要滿足制造成本低。但是現(xiàn)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池都需要昂貴的空穴傳輸層來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率,如spiro-OMeTAD等。此外,疏水性的空穴傳輸層的存在導(dǎo)致將鈣鈦礦薄膜很難刮涂上去。


因此考慮將空穴傳輸層去掉不僅有利于降低材料成本,還有利于降低制造成本,節(jié)約時(shí)間。然而在去掉空穴傳輸層后,鈣鈦礦薄膜與ITO的功函數(shù)不匹配導(dǎo)致空穴很難從鈣鈦礦傳輸至ITO層,因此導(dǎo)致器件效率低下。如何解決功函數(shù)匹配問(wèn)題是制備無(wú)空穴層高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池面臨的巨大挑戰(zhàn)。


【成果簡(jiǎn)介】

近日,北卡羅納大學(xué)和內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的黃勁松教授在Nat. Commun.上發(fā)表了一篇題為“Molecular doping enabled scalable blading of efficient hole-transport-layer-free perovskite solar cells”的文章。該文章報(bào)道了一種分子摻雜策略成功的解決了鈣鈦礦與ITO的能帶不匹配問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了效率高達(dá)20%的無(wú)空穴傳輸層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,此外該研究配合刮刀涂布法成功實(shí)現(xiàn)了高效太陽(yáng)能電池的量產(chǎn)化。


【圖文簡(jiǎn)介】

圖1:刮刀涂布法和摻雜F4TCNQ分子的鈣鈦礦薄膜

1.png

(a)刮刀涂布鈣鈦礦薄膜示意圖和F4TCNQ摻雜劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)式;(b)基底為150攝氏度,刮涂在ITO上的鈣鈦礦薄膜的側(cè)面SEM圖;(c-h(huán))無(wú)摻雜鈣鈦礦薄膜的AFM圖(c)和表面勢(shì)壘圖(f);F4TCNQ摻雜鈣鈦礦薄膜的AFM圖(d)和表面勢(shì)壘圖g);將F4TCNQ顆粒灑在雜鈣鈦礦薄膜的AFM圖(e)和表面勢(shì)壘圖(h);(i)不同鈣鈦礦膜表面電位分布;(j)MAPbI3:F4TCNQ共混物能量圖和電子轉(zhuǎn)移過(guò)程示意圖。


圖2:純鈣鈦礦薄膜和摻雜鈣鈦礦薄膜的電導(dǎo)率和光致發(fā)光壽命

2.png

(a)鈣鈦礦薄膜橫向電導(dǎo)率的測(cè)試模型;(b)摻雜與無(wú)摻雜鈣鈦礦薄膜的I-V曲線;(c)時(shí)間分辨光致發(fā)光曲線;(d)導(dǎo)電原子力顯微鏡測(cè)試方法;(e-h(huán))無(wú)摻雜的鈣鈦礦薄膜的晶粒形貌AFM圖(e)和在晶粒上與晶界上的C-V圖(f);摻雜的鈣鈦礦薄膜的晶粒形貌AFM圖(g)和在晶粒上與晶界上的C-V圖(h)。


圖3:鈣鈦礦薄膜形貌,器件結(jié)構(gòu)與光伏性能

3.png

(a-b)摻雜鈣鈦礦薄膜的低分辨率與高分辨率SEM圖;(c)無(wú)空穴層鈣鈦礦電池器件結(jié)構(gòu)圖;(d)J-V曲線;(e)穩(wěn)態(tài)電流和穩(wěn)態(tài)PCE測(cè)試;(f)EQE和積分電流;(g)器件效率的統(tǒng)計(jì)分布圖。


圖4:界面空穴轉(zhuǎn)移機(jī)理

4.png

(a)空穴在ITO/MAPbI3界面轉(zhuǎn)移示意圖;(b)空穴在ITO/F4TCNQ-MAPbI3界面轉(zhuǎn)移示意圖。


【小結(jié)】

該研究首先利用刮刀涂布法克服了大規(guī)模制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜難題,然后通過(guò)分子摻雜法解決了高效率無(wú)空穴傳輸層鈣鈦礦電池的難題。最后器件效率高達(dá)20%,并且?guī)缀鯚o(wú)遲滯效應(yīng)。該研究為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池商業(yè)化帶來(lái)了曙光。



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