书籍详情
有机无机卤化物钙钛矿太阳能电池：从基本原理到器件
作者：[韩] 朴南圭，[瑞士] 迈克尔·格兰泽尔，[日] 宫坂力 编
出版社：化学工业出版社
出版时间：2021-01-01
ISBN：9787122371508
定价：¥168.00
购买这本书可以去
内容简介
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。
作者简介
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。
目录
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
2.3 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
3.1.4 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
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
8.4 FET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
9.2 CH3NH3PbI3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
9.6.2 FAPI基钙钛矿太阳能电池的光伏性能 180
9.6.3 FAPI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
11.3 CO2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
13.3.1 n-i-p结构的柔性钙钛矿太阳能电池 253
13.3.2 p-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
14.2 CuI 和CuSCN 269
14.3 Cu2O和CuO 273
14.4 NiO 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
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
2.3 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
3.1.4 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
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
8.4 FET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
9.2 CH3NH3PbI3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
9.6.2 FAPI基钙钛矿太阳能电池的光伏性能 180
9.6.3 FAPI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
11.3 CO2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
13.3.1 n-i-p结构的柔性钙钛矿太阳能电池 253
13.3.2 p-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
14.2 CuI 和CuSCN 269
14.3 Cu2O和CuO 273
14.4 NiO 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
猜您喜欢
