有机无机卤化物钙钛矿太阳能电池：从基本原理到器件 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

光伏发电是*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*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

　2.3　TiO2/有机卤化物钙钛矿结点界面中氯的重要性                           15

　2.4　PbI2修饰的TiO2/MAPI异质结电子耦合                                 17

　2.5　MAPI薄膜沉积在ZnO上热力学的不稳定性调查                         19

　2.6　MAPI中的缺陷迁移及其对MAPI/TiO2界面的影响                       21

　2.7　MAPI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　太阳能电池的转换效率和开路电压                         38

Wolfgang Tress

　3.1　地面太阳能电池的转换效率                                         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

　　3.1.4　Shockley-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

　　4.3.1　CH3NH3PbX3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

　　4.3.6　CH3NH3PbI3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

　5.3　CH3NH3PbI3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

　　5.4.2　I-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

　　6.3.1　OTP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

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英文原版三位主编：

    朴南圭（Nam-Gyu Park），韩国首尔成均馆大学化学工程学院教授。2012年，与迈克尔·格兰泽尔共同发明了固态钙钛矿敏化太阳能电池。2017年9月，因共同发现并应用钙钛矿材料实现有效的能源转换，荣获化学领域2017年度“引文桂冠奖”。

    迈克尔·格兰泽尔（Michael Gr?tzel），瑞士洛桑联邦理工学院光子学和界面实验室教授。发明了染料敏化太阳能电池，并于2012年与朴南圭共同发明了固态钙钛矿敏化太阳能电池。他发表了超过900篇论文，同时也是50多篇专利的发明人。他的论文已被引用超过88 000次，成为了全世界论文引用次数排名前10的科学家之一。

    宫坂力（Tsutomu Miyasaka），日本化学家，桐荫横滨大学生物医学工程学院光电化学与能源科学教授。在设计低温溶液印刷工艺制造染料敏化太阳能电池和固态混合光伏（PV）电池方面做出突出贡献，于2009年在世界上首次报道了卤化的钙钛矿光电器件（钙钛矿太阳能电池）。2017年9月，因共同发现并应用钙钛矿材料实现有效的能源转换，荣获化学领域2017年度“引文桂冠奖”。

译者：

    毕世青，2015年于北京化工大学取得博士学位，其研究方向为光伏电池器件中纳米光电功能材料和准固态电解质的制备及应用；后于国家纳米科学中心作博士后，继续从事钙钛矿太阳能电池的工艺及界面修饰的研究；现任教于陕西榆林学院化学与化工学院。

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编辑推荐

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。

前言

译者前言

自2009年至今，钙钛矿太阳能电池技术无疑是全球火热的新型光伏技术，短短的十年时间其光电转化效率由3.9%提高到了25.2%，如此增长速度令研究者们惊叹。本人自2010年开始从事染料敏化太阳能电池的研究，2014年转到钙钛矿太阳能电池方向上来，在从事科研期间有一种感触就是：对此方向上综述性文献或专著有迫切需求，以便快速、全面了解钙钛矿电池。幸运的是，2016年，国际上钙钛矿领域的三位科学家——韩国首尔成均馆大学的Nam-Gyu Park (2017年化学领域“引文桂冠奖”获得者)、瑞士洛桑联邦理工学院的Michael Gratzel(染料敏化太阳能电池之父、二步连续沉积钙钛矿成膜法创始人)、日本桐荫横滨大学的Tsutomu Miyasaka (首个钙钛矿电池的缔造者、2017年化学领域“引文桂冠奖”获得者)作为主编共同组织编写了此书。

此书覆盖面广泛，从钙钛矿中的分子运动到离子迁移，从性原理计算到缺陷态物理，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，都进行了阐述，是一本极具参考价值的专著。

由于本书钙钛矿领域的专业词汇较多，本人学历资浅，疏漏之处在所难免，敬请读者提出宝贵意见，以便今后修订版翻译时纠正；同时希望此书对大家在钙钛矿太阳能电池的研究提供一定的帮助。

译者

2020年5月

前言

将光能转化为电能的光伏发电，是有希望代替化石燃料的能源之一。自1839年19岁的埃德蒙·贝克勒尔(Edmund Becquerel)从硒元素中发现了光电效应之后，一些光电材料被陆续开发出来，同时它们的光电性能也被不断研究。1954年硅太阳能电池初的光电能量转化效率(power conversion efficiency,PCE)仅为4.5%，由贝尔(Bell)实验室的皮尔森(Pearson)、查宾(Chapin)和富勒(Fuller)开发出来，现在其转化效率已经超过了25%。到目前为止，的光电能量转化效率是由单异质结结构的砷化镓电池所保持的，接近29%。像CIGS (铜铟镓硒)和CdTe (碲化镉)这样的硫系材料也有大约22%的转化效率。在太阳能电池的发展过程中，材料和加工过程的费用消耗与转化效率同等重要。这意味着对于学术研究和工业应用来说，新颖的、低成本光电材料的发掘是十分重要的。

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，因为它能够通过廉价的、高通量的溶液法得到，并且转化效率已经超过了22%。2009年,宫坂力(Tsutomu Miyasaka)先报道卤化的钙钛矿光电器件；2012年，朴南圭(Nam-Gyu Park)和迈克尔·格兰泽尔(Michael Gratzel)发明了固态钙钛矿敏化太阳能电池，目前研究的固态钙钛矿太阳能电池是在此基础上研制的。但是，钙钛矿器件具有优异光电性能的原因仍然令人困惑。结构的多样性是钙钛矿光伏器件的优点，但是哪种结构具有微弱的电流密度-电压迟滞效应和长期的稳定性，一直是研究者们争议的焦点。或许理解其基本原理和器件的结构能够回答这些问题，这就是我们编著这本书的初衷所在。在各个章节中，第1章和第2章描述的是卤化钙钛矿的基本原理。从第3章中，我们可以了解到器件的极限转化效率。第4章至第6章介绍的是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章讲述的是如何利用器件和材料工程来获得高效率的钙钛矿太阳能电池。电流密度-电压曲线的迟滞效应和稳定性将会在第10章提到。钙钛矿太阳能电池的高电压特性，使得其在产氢方面也具有良好的前景，这部分内容将会在第11章中介绍。第12章讲述了钙钛矿作为优秀的光吸收材料在有机本体异质结类型的太阳能电池中的应用。固有的柔性是卤化钙钛矿的特异性之一，因此适合制备柔性的太阳能电池，这部分内容在第13章中讲述。对选择性接触材料的研究是从迟滞效应和稳定性的角度出发的。在第14章将会讲到无机空穴传输层可能会提供深入观察器件内部结构的方法。

这本书覆盖了从基本理论到器件工程的各方面内容，所以我们希望这本书对学术研究和商业应用都有所贡献。

朴南圭(Nam-Gyu Park)，韩国水原(Suwon)

迈克尔·格兰泽尔(Michael Gratzel)，瑞士洛桑(Lausanne)

宫坂力(Tsutomu Miyasaka)，日本横滨(Yokohama)

书籍介绍

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。