有机无机卤化物钙钛矿太阳能电池 从基本原理到器件

本书的英文原版的三位主编均为钙钛矿太阳能电池行业的领军人物，尤其宫坂力先生于2009年率先开发出了卤化钙钛矿光电器件，开辟了该领域研究的先河。在三位主编的主导下，书中汇集了大量本专业的前沿科研成果。本书论述的覆盖面广泛，对从基本原理到应用器件的各方面内容进行了系统阐述，包括从钙钛矿中的分子运动到离子迁移、从电荷传输到迟滞效应的解析、从平面结构到多孔结构、从玻璃基底到柔性基底等方面。

光伏发电是最有希望代替化石燃料的能源之一。在未来的光伏产业中，有机-无机杂化的钙钛矿是非常具有前景的候选材料。本书英文原版的三位主编，都在该领域做出了杰出贡献。由三位杰出科学家引领，本书从钙钛矿太阳能电池的基本原理出发，介绍了从基本理论到器件工程的各方面内容。全书共14章：第1章和第2章描述了卤化钙钛矿的基本原理；第3章介绍了器件的极限最大转化效率；第4章至第6章介绍了器件物理特性及卤化钙钛矿中离子的迁移；第7章和第8章可以帮助读者进一步理解钙钛矿中离子的迁移和抑制；第9章讲述了如何利用器件和材料来获得高效率的钙钛矿太阳能电池；第10章介绍了电流密度-电压曲线的迟滞效应和稳定性；第11章介绍了钙钛矿太阳能电池的高电压特性；第12章讲述了钙钛矿在有机本体异质结类型的太阳能电池中的应用；第13章介绍了卤化钙钛矿在制备柔性太阳能电池中的应用；第14章讲述了无机空穴传输层对深入观察器件内部结构的作用。本书集中了大量与钙钛矿太阳能电池相关的前沿科研成果，可以为钙钛矿太阳能电池的研究者和技术开发者提供有益的参考和帮助。

 

第1章杂化卤化钙钛矿的分子移动和晶体结构动力学 1
Jarvist M.Frost，Aron Walsh
1.1引言 1
1.2钙钛矿 1
1.3一般的晶体结构 3
1.3.1正交晶相（T＜165K） 4
1.3.2四方晶相（165～327K） 4
1.3.3立方晶相（T＞327K） 4
1.3.4从甲铵到甲脒阳离子 5
1.4分子运动 5
1.5离子传输 7
1.6介电效应 8
1.7小结 10
参考文献 10
第2章有机卤化物钙钛矿薄膜和界面的第一性原理模型 13
Edoardo Mosconi，Thibaud Etienne，Filippo De Angelis
2.1引言 13
2.2对锡基和铅基钙钛矿建立可靠的计算协议 14
2.3TiO2/有机卤化物钙钛矿结点界面中氯的重要性 15
2.4PbI2修饰的TiO2/MAPI异质结电子耦合 17
2.5MAPI薄膜沉积在ZnO上热力学的不稳定性调查 19
2.6MAPI中的缺陷迁移及其对MAPI/TiO2界面的影响 21
2.7MAPI和水的非均质界面：钙钛矿被水降解的暗示 26
参考文献 33
第3章太阳能电池的最大转换效率和开路电压 38
Wolfgang Tress
3.1地面太阳能电池的最大转换效率 38
3.1.1热力学与黑体辐射 38
3.1.2基于半导体的光伏发电 40
3.1.3开路电压的辐射极限 42
3.1.4Shockley-Queisser极限 44
3.2带隙 46
3.2.1起始吸收波长和亚带隙厄巴赫尾（Urbach tail） 46
3.2.2调整带隙和串联器件 46
3.3非辐射复合 48
3.3.1电致发光的量子效率 48
3.3.2确定复合机制 49
3.3.3电荷传输层的作用 53
参考文献 54
第4章CH3NH3PbX3（X=I，Br，Cl）钙钛矿的物理缺陷 58
Yanfa Yan，Wan-Jian Yin，Tingting Shi，Weiwei Meng，Chunbao Feng
4.1引言 58
4.2计算细节 59
4.3结论和讨论 61
4.3.1CH3NH3PbX3钙钛矿缺陷能级的一般趋势 61
4.3.2计算内在点缺陷的转移能量 62
4.3.3计算内在点缺陷的形成能 63
4.3.4计算表面状态 66
4.3.5计算晶界状态 68
4.3.6CH3NH3PbI3的掺杂特性 72
4.4结论 75
参考文献 76
第5章有机-无机钙钛矿的离子导电性：长时间和低频行为的相关性 79
Giuliano Gregori，Tae-Youl Yang，Alessandro Senocrate，Michael Gratzel，Joachim Maier
5.1引言 79
5.1.1钙钛矿太阳能电池的电容异常 79
5.1.2离子迁移的证据 80
5.1.3离子和电子传输特性的实验说明 82
5.2方法：直流极化和交流阻抗谱 82
5.3CH3NH3PbI3的电荷传输表征 86
5.3.1阻抗光谱 86
5.3.2化学计量极化 87
5.3.3开路电压测量 88
5.3.4决定电导率的离子种类 89
5.4化学扩散系数和化学电容 91
5.4.1化学计量极化和表观介电常数 92
5.4.2I-V扫描过程中的迟滞效应 94
5.4.3模拟材料性能的电路 96
5.5结束语 97
参考文献 97
第6章杂化钙钛矿太阳能电池中的离子迁移 101
Yongbo Yuan，Qi Wang，Jinsong Huang
6.1引言 101
6.2固态材料中的离子迁移 103
6.3有机三卤素钙钛矿薄膜中的离子迁移 104
6.3.1OTP薄膜中的移动离子是什么 104
6.3.2固体钙钛矿薄膜中的流动离子形成及其迁移通道 108
6.4离子迁移对光伏效率和稳定性的影响 110
6.5抑制稳定OTP太阳能电池的离子迁移 113
6.6结论 116
参考文献 116
第7章杂化有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的阻抗特性 120
Juan Bisquert，Germà Garcia-Belmonte，Antonio Guerrero
7.1引言 120
7.2充电电容和迟滞效应 122
7.3铁电性能 127
7.4钙钛矿太阳能电池的电容性质：黑暗电容 129
7.5电容-电压，掺杂，缺陷和能级图 131
7.6瞬态光电压和光电流 135
7.6.1开路电压衰减 135
7.6.2瞬态电流与充电 135
7.6.3小扰动照明方法：瞬态光电压和电荷提取 138
7.7电极上的反应和降解 140
7.8光能力 143
7.9结论 144
参考文献 145
第8章有机金属卤化物钙钛矿中的电子传输 149
Francesco Maddalena，Pablo P.Boix，Chin Xin Yu，Nripan Mathews，Cesare Soci，Subodh Mhaisalkaro
8.1引言 149
8.2杂化钙钛矿中电荷传输的理论研究 150
8.3杂化钙钛矿中的电荷载流子扩散长度 153
8.4FET和LED器件中的载流子迁移率 154
8.5离子漂移、极化和缺陷的作用 157
8.6极化的电荷载流子 159
8.7新型钙钛矿材料的传输 160
8.8总结和结论 163
参考文献 164
第9章甲铵铅碘和甲脒铅碘太阳能电池：从敏化到平面异质结 166
Jin-Wook Lee，Hu-i Seon Kim，Nam-Gyu Park
9.1引言 166
9.2CH3NH3PbI3的光学性质和能带结构 169
9.3液态电解质中的敏化钙钛矿量子点 172
9.3.1前驱体浓度对光电流的影响 172
9.3.2由乙铵阳离子调整带隙 173
9.4固态CH3NH3PbI3钙钛矿太阳能电池的第一种形式 174
9.5钙钛矿薄膜制备的可控方法 176
9.6基于甲脒铅碘的钙钛矿太阳能电池 179
9.6.1加合物法制备FAPI钙钛矿薄膜 179
9.6.2FAPI基钙钛矿太阳能电池的光伏性能 180
9.6.3FAPI基钙钛矿的稳定性 184
9.7总结 188
参考文献 188
第10章迟滞特性和器件稳定性 192
Ajay Kumar Jena，Tsutomu Miyasaka
10.1引言 192
10.2影响迟滞的参数 193
10.2.1器件结构和工艺参数 193
10.2.2测试和预测试条件 197
10.3迟滞现象的起源机制 200
10.3.1钙钛矿的铁电性质 201
10.3.2界面载流子动力学 203
10.3.3离子迁移 205
10.3.4陷阱态 206
10.4迟滞现象、稳定的功率输出和稳定性 208
10.5结论 212
参考文献 213
第11章从太阳光中产生燃料的钙钛矿太阳能电池 217
Jingshan Luo，Matthew T.Mayer，Michael Gratzel
11.1概述 217
11.1.1能源需求、全球变暖和存储需求 217
11.1.2太阳能燃料的产生和利用 218
11.1.3太阳能到燃料（STF）转换的基本原则 218
11.1.4太阳能燃料的产生中，钙钛矿作为光能捕获材料的优点 219
11.2钙钛矿光伏驱动的光解水 219
11.2.1单电池驱动光解水 220
11.2.2两个串联器件的钙钛矿电池驱动光解水 221
11.2.3独立水分解的两个串联照明吸收体叠层 222
11.2.4理想的双吸收系统 226
11.3CO2还原 227
11.4讨论与展望 230
11.4.1系统设计与工程 230
11.4.2稳定性问题和解决办法 230
11.4.3展望 230
参考文献 231
第12章平面倒置结构的钙钛矿太阳能电池 234
Jingbi You，Lei Meng，Ziruo Hong，Gang Li，Yang Yang
12.1引言 234
12.2平面结构 235
12.3倒置的平面结构 236
12.3.1提高倒置平面太阳能电池效率的薄膜生长 238
12.3.2空穴传输层的界面工程 239
12.3.3电子传输层的界面工程 240
12.3.4平面结构的稳定性 241
12.3.5电子传输层对稳定性的影响 241
12.3.6空穴传输层对稳定性的影响 243
12.3.7钙钛矿材料的稳定性 243
12.3.8倒置平面结构太阳能电池中的迟滞效应 244
12.4结论和未来的展望 245
参考文献 246
第13章柔性钙钛矿太阳能电池 248
Byeong Jo Kim，Hyun Suk Jung
13.1引言 248
13.2柔性器件中钙钛矿材料的物理性能 249
13.2.1钙钛矿材料对塑料基太阳能电池的优势 249
13.2.2柔性钙钛矿太阳能电池的机械耐受性 250
13.3柔性钙钛矿太阳能电池的研究进展 251
13.3.1n-i-p结构的柔性钙钛矿太阳能电池 253
13.3.2p-i-n结构的柔性钙钛矿太阳能电池 254
13.3.3金属基柔性钙钛矿太阳能电池 255
13.4商业化柔性钙钛矿太阳能电池的新兴技术 257
13.4.1纤维状钙钛矿太阳能电池 257
13.4.2超轻柔性钙钛矿太阳能电池 258
13.5总结 260
参考文献 260
第14章钙钛矿太阳能电池的无机空穴传输材料 262
Seigo Ito
14.1引言 262
14.2CuI 和CuSCN 269
14.3Cu2O和CuO 273
14.4NiO 273
14.5钼氧化物（MoOx） 276
14.6碳材料 276
14.7结论 278
参考文献 278