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【頂刊動態(tài)】從AM/AFM/JACS期刊發(fā)文看太陽能電池最新進(jìn)展

來源：科學(xué)10分鐘時間：2022-01-11 19:22:09 瀏覽：3414次

引言

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，在物理學(xué)上稱為太陽能光伏。其基本原理是，當(dāng)太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上時，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就可產(chǎn)生電流。

目前，太陽能電池主要以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，根據(jù)太陽能電池的基本特性，可以將其劃分為硅太陽能電池；以無機(jī)鹽如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；功能高分子材料制備的太陽能電池；納米晶太陽能電池等幾大類。隨著傳統(tǒng)化石能源的枯竭，對太陽能、生物質(zhì)能等綠色新能源的開發(fā)迫在眉睫，對太陽能電池的研究也逐漸成為當(dāng)前學(xué)術(shù)領(lǐng)域的焦點(diǎn)之一。

國內(nèi)外許多太陽能電池領(lǐng)域的工作者共同推進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展，鑒于此，筆者一覽國內(nèi)外頂級期刊上近期對太陽能電池的研究，介紹解讀了其中部分有關(guān)太陽能電池的最新研究成果，希望能給相關(guān)科研工作者帶來一絲啟發(fā)。

最新成果速覽

Advanced Materials：17.6%效率！基于三維氯化網(wǎng)絡(luò)受體的準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102778

隨著光伏材料的創(chuàng)新和器件工藝的優(yōu)化，本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）在逐步提升，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但是BHJ結(jié)構(gòu)的活性層薄膜形態(tài)調(diào)控是非常精確和復(fù)雜的過程。由于在旋涂過程中給體和受體的自組裝和聚集，為了獲得最佳的BHJ薄膜形貌，必須進(jìn)行各種器件工藝優(yōu)化。

對于一些高效的光伏材料體系，在某些溶劑中相容性不好時，采用BHJ器件結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較差的光伏性能，不能完全體現(xiàn)材料的優(yōu)異性。對于這類具有良好光伏性質(zhì)的特殊材料，就需要采用平面異質(zhì)結(jié)（PHJ）器件結(jié)構(gòu)。含有給/受體材料的PHJ活性層通常采用連續(xù)旋涂的工藝，由于溶劑的溶脹和分子的擴(kuò)散，PHJ薄膜的中間連接處可能會產(chǎn)生微小的納米級體異質(zhì)結(jié)（BHJ）區(qū)域。

因此，研究者們將該結(jié)構(gòu)定義為準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)（Q-PHJ）。雖然目前Q-PHJ有機(jī)太陽能電池的效率落后于BHJ器件，但其仍然具有一定的優(yōu)勢。

有鑒于此，南方科技大學(xué)何鳳教授團(tuán)隊^[^1]基于聚合物給體D18和受體BTIC-BO-4Cl，制備了PCE高達(dá)17.6%的Q-PHJ有機(jī)太陽能電池，是目前報道過的該類型器件結(jié)構(gòu)的最高效率之一。

鑒于激子的擴(kuò)散距離和解離是制約Q-PHJ 器件效率的關(guān)鍵因素。為了研究激子的解離效率，作者測定了BTIC-BO-4Cl純膜、BHJ和Q-PHJ共混膜的光致發(fā)光(PL)猝滅光譜和瞬態(tài)吸收光譜，結(jié)果表明D18和BTIC-BO-4Cl的激子擴(kuò)散距離分別為33.2和41.2 nm，滿足高性能Q-PHJ器件的激子擴(kuò)散條件。最后，經(jīng)過器件工藝的優(yōu)化，BHJ器件的PCE僅為14.05%，而Q-PHJ器件的PCE高達(dá)17.6%，性能提升的主要因素來自于短路電流和填充因子的顯著增強(qiáng)。

該研究表明在某些獨(dú)特的光伏材料體系中，Q-PHJ結(jié)構(gòu)可以取代BHJ結(jié)構(gòu)制備性能優(yōu)異的有機(jī)太陽能電池，為光伏材料的設(shè)計和器件制備提供新的研究思路。

圖1 D18和BTIC-BO-4Cl的分子結(jié)構(gòu)及電荷運(yùn)輸示意圖

圖2 BHJ器件和Q-PHJ器件的性能

Advanced Functional Materials：寬帶隙鈣鈦礦界面工程用于高效鈣鈦礦/CZTSSe串聯(lián)太陽能電池

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202107359

隨著鈣鈦礦組分和制備工藝的發(fā)展，單節(jié)鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過了25%，展現(xiàn)出巨大的商業(yè)化潛力。為了進(jìn)一步突破單節(jié)太陽能電池的理論效率極限，基于疊加窄帶隙的吸收層（比如鉛錫混合鈣鈦礦、晶體硅電池以及過渡金屬化合物電池）的寬帶隙鈣鈦礦電池由于可以更加充分地利用太陽光，被研究者們視為一種非常有效的策略。所以，實現(xiàn)領(lǐng)域突破的核心環(huán)節(jié)之一就是制備高效率和高穩(wěn)定性的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池（E_g ≈ 1.6-1.9 eV）。

但是，寬帶隙鈣鈦礦電池普遍面臨著開路電壓（V_OC）損失較大的問題，這主要是由于鈣鈦礦內(nèi)部和表面較高的缺陷態(tài)密度以及界面間電荷的復(fù)合損失，從而限制了疊層電池效率的進(jìn)一步提高。

有鑒于此，香港城市大學(xué)Alex教授、南開大學(xué)張毅教授及南方科技大學(xué)徐保民教授團(tuán)隊^[^2]聯(lián)合報道了一種對于寬帶隙鈣鈦礦電池簡單有效的界面修飾策略。該團(tuán)隊通過沉積二維鈣鈦礦層ODAPbI₄在空穴傳輸層PTAA一側(cè)誘導(dǎo)形成了超薄的準(zhǔn)二維鈣鈦礦，這一緩沖層的形成不僅能夠促進(jìn)空穴在界面處的抽取和收集，還能改善上層寬帶隙鈣鈦礦的晶體生長，從而有效地抑制了由于高密度的離子缺陷和界面空穴-電子復(fù)合導(dǎo)致的非輻射復(fù)合損失。

相應(yīng)地，優(yōu)化后的寬帶隙鈣鈦礦電池（E_g ≈ 1.66 eV）最終實現(xiàn)了21.05%的能量轉(zhuǎn)換效率和1.23 V的開壓電路，其中0.43 V的開路電壓損失也是目前報道的寬帶隙鈣鈦礦器件的最低開壓損失之一。基于這一策略，作者將優(yōu)化后的寬帶隙鈣鈦礦電池做成半透明器件，與窄帶隙的CZTSSe底電池組成疊層電池，實現(xiàn)了22.27%的光電轉(zhuǎn)換效率，這一效率均高于單節(jié)的鈣鈦礦和CZTSSe電池。外量子效率（EQE）圖譜展示了兩部分電池對于太陽能光譜的利用占比，最終積分得到的短路電流也與J-V測試得到的短路電流相匹配。這項工作為全溶液法、低成本和高效率的疊層電池的制備開拓了新的思路。

圖3 利用ODAPbI₄夾層構(gòu)建準(zhǔn)二維鈣鈦礦界面示意圖及基本的結(jié)構(gòu)表征

圖4 制備的寬帶隙鈣鈦礦電池的性能

Advanced Functional Materials：一種可大規(guī)模制備柔性鈣鈦礦電池的新方法

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107726

得益于鈣鈦礦太陽電池獨(dú)特的光物理特性、低能耗的制造工藝、柔性設(shè)備的兼容性以及針對不同應(yīng)用場景的使用模式，其商業(yè)化潛力日益突出。在近十幾年以來，隨著科研工作者們的大力投入，不斷推動并刷新記錄效率，其單節(jié)認(rèn)證效率已經(jīng)達(dá)到25.5%，滿足商業(yè)化使用的標(biāo)準(zhǔn)。

然而，長期穩(wěn)定性和大面積加工技術(shù)仍是鈣鈦礦太陽電池商業(yè)化應(yīng)用的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，尤其是將結(jié)晶質(zhì)量與器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化轉(zhuǎn)移到柔性大面積印刷上來。因此，如果想推動柔性鈣鈦礦太陽能電池走向商業(yè)化的道路，就必須解決這兩個方面的科學(xué)問題。此外，高質(zhì)量的鈣鈦礦晶體表面處仍存在著高活性的懸掛鍵，這種納米級缺陷對于鈣鈦礦器件的長期穩(wěn)定性帶來了諸多弊端。

有鑒于此，南昌大學(xué)陳義旺教授團(tuán)隊和暨南大學(xué)李風(fēng)煜教授團(tuán)隊^[^3]提出了一種多尺度的缺陷策略來實現(xiàn)大面積柔性鈣鈦礦的加工制備。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)醋酸甲胺（MAAc）作為墨水輔助劑（IAS）引入到前驅(qū)體溶液中，可以有效調(diào)控鈣鈦礦膠體粒子的聚集行為。

作者利用通過原位光學(xué)顯微鏡觀測，發(fā)現(xiàn)存在于參考樣品中較大尺寸的膠體粒子消失，這種被抑制的膠體粒子聚集行為可以有效地提高前驅(qū)體溶液的過飽和濃度閾值，繼而實現(xiàn)了多位點(diǎn)的同時成核以及更均勻的結(jié)晶質(zhì)量。隨機(jī)點(diǎn)位的紫外吸收測試同樣驗證了這一觀點(diǎn)。

此外，作者通過預(yù)先沉積4-氯苯磺酸（Cl-BSA）于電極表面，實現(xiàn)了更穩(wěn)定的鈣鈦礦界面，密度函數(shù)理論模擬計算和缺陷態(tài)密度測試表明界面處的缺陷得到了有效的鈍化。最終，基于1.01 cm²的刮涂器件得到了18.12%的光電轉(zhuǎn)換效率，且在空氣氣氛中穩(wěn)定性大幅提升。作者相信，這種多尺度缺陷修復(fù)策略為大面積柔性鈣鈦礦太陽能電池提供了均質(zhì)性和穩(wěn)定性的集成設(shè)計理念。

圖5 實驗過程原理示意圖

圖6 制備的柔性鈣鈦礦器件的性能

JACS：有機(jī)染料敏化/Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)太陽能電池

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c07200

鈣鈦礦材料中鉛元素限制了其商業(yè)化應(yīng)用，開發(fā)新的非鉛鈣鈦礦材料能夠從根本上解決有毒元素對人類生命健康的威脅。作為非鉛鈣鈦礦材料中的重要一員，雙鈣鈦礦Cs₂AgBiBr₆具有良好的光電性能和穩(wěn)定性，是一種潛在的太陽能電池光敏材料。然而受制于本身較大的帶隙，Cs₂AgBiBr₆只能吸收波長小于550 nm的光子，應(yīng)用其制備的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率仍然很低。

有鑒于此，吉林大學(xué)王曉峰教授團(tuán)隊^[^4]選取了三種商業(yè)化的吲哚染料D102、D131和D149，分別用其去敏化二氧化鈦電子傳輸層，并結(jié)合Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦，制備了相應(yīng)的染料敏化/雙鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)太陽能電池，同時制備了染料敏化太陽能電池和雙鈣鈦礦太陽能電池作為參照。

研究發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)結(jié)太陽能電池的光電流密度高于相應(yīng)的染料敏化太陽能電池以及雙鈣鈦礦太陽能電池。其中，基于D149/Cs₂AgBiBr₆異質(zhì)結(jié)的電池獲得了高達(dá)8.24 mA/cm²的短路電流密度和最高4.23%的光電轉(zhuǎn)化效率。

為了探究電池內(nèi)部的電荷傳輸方式，作者制備了無空穴傳輸層和無空穴傳輸層/鈣鈦礦層的器件。測試結(jié)果表明，當(dāng)只去掉空穴傳輸層時，相較于異質(zhì)結(jié)太陽能電池，盡管電池的各項光電參數(shù)都有所降低，但是電池大體上仍能夠繼續(xù)工作；而當(dāng)同時去掉空穴傳輸層和雙鈣鈦礦層后，電池基本上不再能繼續(xù)工作，說明在這個異質(zhì)結(jié)太陽能電池體系中，Cs₂AgBiBr₆能夠起到傳輸空穴的作用，即吲哚染料中位于激發(fā)態(tài)的空穴能夠經(jīng)由Cs₂AgBiBr₆的子帶隙傳出。

此外，作者還分析了染料/雙鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)太陽能電池的暗態(tài)電流-電壓關(guān)系并進(jìn)行了電化學(xué)阻抗等測試，發(fā)現(xiàn)D102和D149的引入使得電池內(nèi)部的電荷傳輸更加高效，內(nèi)部的載流子復(fù)合情況也受到了抑制。這項工作對將染料敏化太陽能電池與雙鈣鈦礦太陽能電池相結(jié)合并構(gòu)筑具有高效吸收的吲哚染料/雙鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)太陽能電池提供了指導(dǎo)。

圖7 D102、D131和D149的分子結(jié)構(gòu)

圖8 基于D149/Cs₂AgBiBr₆異質(zhì)結(jié)的電池穩(wěn)定性

參考文獻(xiàn)

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