【答疑】你想要的钙钛矿太阳能电池知识点都在这

周一（4月13日），我们成功举办了HORIBA 2020在线讲座第5集——光谱技术在材料领域的应用。讲座中，胡玥副教授和蔡伟亭工程师分享了他们的科研经验和研究进展，提问环节大家也积极响应。让我们一起来看看胡玥老师回答了哪些问题吧~

问答集锦-胡玥副教授

1

钙钛矿溶液往无机骨架下渗过程中能否确保填满每个间隙？（钙钛矿的结晶过程很快）

通过添加剂工程和溶剂工程，可以尽可能地保证钙钛矿在三层介孔膜中的填充和结晶。可以参考文献：Advanced Energy Materials, 2019, 10(5): 1903092.

2

三维介孔相比于传统层状有什么优点？介孔的形貌会不会影响性能？

可印刷介观钙钛矿太阳能电池是目前世界上已报道的最稳定的钙钛矿太阳能电池，在持续光照10000小时后性能不衰减。介孔厚膜的存在会使得钙钛矿的结晶有挑战性，所以目前效率还不如其他结构，但也给了我们很多研究的方向和提升的空间。

3

针对大面积太阳能电池，如何进一步提高模组器件的效率和稳定性？

大面积太阳能电池最大的挑战在于减小串联电阻和提高钙钛矿膜的质量，可以从这两方面入手提高效率和稳定性。

4

钙钛矿渗透和退火是在常规空气中吗？对湿度有何要求？    

是的，没有什么要求。这也是可印刷介观钙钛矿太阳能电池的一个优势，可以在普通环境里制备。

5

钙钛矿CrPbBr3的折射率是多少？                                       

可以参考文献Advanced Materials, 2019, 31(18): 1900647.

6

杂化钙钛矿有机分子部分很容易被其它分子取代吗？        

需要满足钙钛矿容忍因子（Tolerance Factor）的有机阳离子才能取代。

7

AVA起到的是体相钝化吗？                                                 

AVA起到了很多作用，结晶优化、界面钝化都用，是一个共同的作用。

8

目前最稳定的钙钛矿涂层是什么组成？                                

AVAMAPbI3体系、CsRbFAPbIBr体系和全无机钙钛矿都有比较稳定的数据报道。

9

钙钛矿电池老化测试项目的衰减标准是怎么定义的？           

参考文献：Joule，2019

10

您认为现在限制钙钛矿发展的因素是什么，或者说钙钛矿的发展方向是什么？

目前是放大化和稳定性两个问题。

11

有机太阳能电池的设计：一个小分子两端都含有三苯胺，这样的分子用于活性层是不是会具有好的效率？

三苯胺在吸光材料和空穴传输材料里用的很多，也要认真设计分子的其他部分结构，才能获得好的效率哟。

12

烷基链长短对结晶尺寸有什么的影响？                              

这是一个我们正在研究的课题，的确是有影响。

13

你认为单晶钙钛矿太阳能电池的发展前景怎么样？           

单晶钙钛矿的各个光电性能都比多晶的好，还是很有前景的~

14

迟滞效应对电池性能的影响？                                            

迟滞效应本身对电池没有什么影响，主要是无法通过J-V曲线来很好的判断电池性能，这时最好参考MPPT的效率。但是迟滞效应大的电池一般代表离子迁移严重，可能对电池稳定性有影响。

15

为什么钙钛矿材料既能做电池，又能做发光？他们好像是矛盾的。

好的吸光材料一般都是好的发光材料，只是配以不同的功能层做成了电池或LED。

16

请问HJT与钙钛矿叠层技术的进展如何？                          

很火，越来越多人做了。

17

在对钙钛矿A位或者B位取代的过程中，对于钙钛矿结构发生的扭曲采用什么测试方式表征？

可以用XRD，辅助VASP计算。

18

三层印刷之后，钙钛矿上面是没有其他的材料直接封装吗？

是的。

19

全无机和有机杂化电池，哪个更有前途？                         

都有前途。

20

关于CAFM测试有个疑问，请问样品与底座如何连接？用导电银浆还是其他？

导电银浆

21

晶粒尺寸大小对钙钛矿带隙有影响吗？单晶和多晶钙钛矿带隙有区别吗？

有影响，有区别，但影响和区别不大。

22

您的课题组有计算过介孔碳基的稳定性，性能与成本比，和硅基的或者平板结构的PSC有什么优势吗？

有计算过，目前还没有发表，我们认为三层介孔膜的成本是一个优势。

23

It is clear that I am not a solar person but I do practice perovskites synthesis and application for oxygen storage or catalytic applications. Would you comment on LaSrCo or LaSrFe or LaSrFeCo perovskites for solar applications? or their dark color deems them not applicable for solar applications.

Well, the light harvester should definitely absorb light, but it is not the only property needed in solar application. The charge separation and collection efficiencies are equally important.

24

这种三层介孔结构中的结晶会不会导致大量晶界的存在从而增加非辐射复合过程？

在结晶不好的情况下会，所以需要通过溶剂工程和添加剂工程来改善结晶。

25

您能给出关于下一步效率提升的指导意见吗？                   

带隙调整，减少复合。

26

平面结构做出来的钙钛矿太阳能电池，在旋涂完spiro后出现了溅射状，样品没有问题，工艺没有问题，老师您知道是什么问题吗？

可能你下手太重了...

27

加入大分子聚合物会提高全无机钙钛矿稳定性，但后期不需要，怎么去除大分子聚合物？

加热和抽真空可以试一下，如果加的量少的话，处在晶界处起钝化作用也没必要去除。

28

钙钛矿薄膜退火时间过长，荧光强度会急剧衰减，可能是什么原因？

分解成PbI2了。

29

钙钛矿量子点材料做印刷钙钛矿方面相对于体相有优势吗？

根据我们的研究结果，没有什么优势。

30

钙钛矿太阳电池的效率达到25%，您觉得还能继续提高吗？

通过继续减少复合还有可能提高效率。

31

我通过紫外漫反射测微量粉末样品的带隙，测不出吸收峰，这个可能是什么原因导致的呢？

可能样品太少了，模式选择错了，仪器坏了，还有可能各种不可抗力。建议睡个好觉，再做一次看看呢？

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结晶后的钙钛矿平均的尺寸是多少？                                 

在传统结构的电池中，我们其实可以通过SEM和XRD来直接测量钙钛矿晶体的尺寸。而且一般来说钙钛矿晶体的尺寸越大，晶介越少，没有针孔，覆盖到整个晶体钙钛矿太阳能电池的效率就会越高。但是在我们这种三层膜结构的钙钛矿太阳能电池中，我们要做到的是让钙钛矿尽可能填充到三层介孔膜里去，和二氧化钛的接触越好，整个性能会越好。这个问题也是我们一直想搞清楚的，我们之前就很难测试到介孔里面的钙钛矿平均尺寸，但我们最近用了GIWAX的测试方法，可以测试出晶体的尺寸是30nm左右。

33

ZrO2是起到什么作用？                                                     

二氧化锆的作用在我们组发的很多文章都有讲到，起间隔层的作用。二氧化锆的膜厚和钙钛矿太阳能电池的电压有一定直接的关系，比如二氧化锆太薄的话可能会导致短路和复合增加，电压会急剧下降。但是二氧化锆太厚的话，又会对电子的传输有阻碍作用，所以二氧化锆要控制在1.5微米到2微米之间。

34

钙钛矿电池的太阳能转化效率比EPFL的染料敏化电池的转化效率么？各自的优缺点在哪里？

我原来就研究染料敏化太阳能电池，染料敏化电池的最高转换效率是12.3%，而钙钛矿太阳能电池转换效率最高已经到25.2%。这两种电池都属于新型太阳能电池，都在发展阶段，染料敏化可能颜色会多一些，都还是有各自的应用领域的。

35

印刷组装的方法是否可以使用别的材料体系？                   

我不是很清楚问题中的材料体系指的是什么，因为对于我们课题组用的就是三种介孔膜，当然还有很多课题组是研究层状结构，像我们之前说的平板结构的钙钛矿太阳能电池和介孔正式、介孔反式和平板反式这些结构都是可以印刷的。

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有针对非辐射复合过程，进行表征和调控吗？                   

非辐射复合过程不仅是钙钛矿太阳能电池，是所有太阳能电池都非常关注的过程，我们要减少非辐射的复合过程才能增加电池的电压，从而提高电池的效率。对于非辐射复合电池，我们用的就是瞬态荧光的方法去进行表征。

37

介孔结构和平面结构的电池填充因子差别大吗？影响因素是什么呢？

从我们的实验数据来看，我们这种基于三层介孔膜的填充因子大概可以做的0.78左右，平板结构有很多世界一流的都可以做做到0.8左右。但如果说介孔结构指的是用了介孔的二氧化钛可是上面还是层状结构而不是三层介孔膜结构的话，其实填充因子差别就不是很大。我们现在认为填充因子和电池中的电荷传输比较有关，当然钙钛矿要结晶得更好，填充因子得效用才会更高。

38

能否解释一下测试孔隙中钙钛矿晶体尺寸的方法？           

就是同步辐射的方法，叫作GIWAX。它可以通过原位测试的方法，我们把钙钛矿直接滴在整个基地上，可以持续不停地检测，像XRD一样不停地分析晶体的结晶过程，就可以看到晶粒的尺寸变化。

39

在印刷钙钛矿方面，溶剂有没有什么特殊要求？                

在印刷钙钛矿方面，我们组主要使用的是GBL和DMF/DMSO这两种体系，使用涂覆印刷时还要考虑溶剂的黏度问题，在大规模生产制备时我们还要考虑这种溶剂有没有毒，是否容易回收等环保问题。

40

您如何看钙钛矿作为发光材料的展望？                            

有很多老师都说一个好的吸光材料也一定是好的发光材料，我也十分同意这一点。钙钛矿作为发光材料也已经发表了很多厉害的论文，在Science和Nature近几年都有，我觉得也是非常有前景的领域。

41

能详细讲一下通甲胺气体吗？                                            

通甲胺气体这个方法不仅我们有用到，在平板钙钛矿太阳能电池中也有用到。其实有两种方法，一种是把结晶不好的钙钛矿放在甲胺气中融化，重新结晶。另外一种是直接将单晶粉末铺撒在三层介孔膜上，通过甲胺气融化后进入到三层介孔膜中，也就是单晶转移的方法。具体的操作就是把钙钛矿电池放在密闭的容器中，先通氮气去除其中的氧气和水分，然后再通甲胺气这样会观察到钙钛矿融化成了透明的状态，接着再用氮气去除其中的甲胺气，就可以看到钙钛矿重新结晶。

42

三层印刷之后，钙钛矿上面是没有其他的材料，直接封装吗？

是的，参考文献：Advanced Functional Materials, 2019, 29(16), 1809129。

43

通气结束后需要加热吗？                                                   

不需要加热，参考文献：Chemical Science, 2020, 11, 474.

44

介孔结构、平面结构的钙钛矿太阳能电池，哪个比较好控制钙钛矿的结晶过程？

对于初级选手来说都不太好控制钙钛矿的结晶过程，结晶过程其实和很多的因素有关，要选对添加剂和溶剂，还要不停去尝试才能提高效果。

45

在前驱体溶液中加入氨基酸或者其他有机大分子对FF影响有多大？怎么解决？

我们选择氨基酸主要是基于需要在三层介孔膜中结晶较小，氨基酸有氨基和羧基，羧基和二氧化钛有一定的化学作用，我们就可以想想氨基酸在二氧化钛上面撒了一把种子，氨基的一端会形成很多小的晶核让钙钛矿更好地生长在里面。如何去选择合适的氨基酸也是我们需要考虑的问题，太大太长不够导电可能都会对钙钛矿电池产生一定的影响，这就需要大量的实验和设计来完成。

46

在填充氮气时，大概的装置和流程是怎么做的？               

大家可以去看我们Chemical Science的文章，有给到实际操作的图，如果还有什么问题可以发邮件问我们。参考文献：Chemical Science, 2020, 11, 474.

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三介孔结构的耐湿性怎样？制备时对环境要求怎样？         

其实我们的电池还是很耐湿的，在空气中和在手套箱中做的电池得到的结果差不多。基本上放在抽屉或者架子上保存几个月没有问题。

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钙钛矿结晶取向性对电池效率的影响大吗？                       

目前钙钛矿结晶的取向性在３D的钙钛矿中发表的文章并不是很多，北大的周欢萍老师有一篇文章。我们课题组刚开始研究钙钛矿结晶取向性对电池效率的影响，发现结晶取向性对电池效率还是有提升的，因为有的钙钛矿在有的晶面上传输比其他晶面强。如果是２D钙钛矿的话，结晶取向性就对电池效率影响非常大了，在２D钙钛矿中是有很强的不导电的间隔分子存在的，在不导电的间隔分子存在的取向上电子传输非常差，所有在２０１６或２０１７年的一篇Nature里，着重介绍了２D钙钛矿取向调整为间隔分子和二氧化钛平行状态，这样平行传输就不会影响电子传输到二氧化钛里。如果你对结晶取向性有兴趣的话也是非常好的课题。

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