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新型光电材料研究与太阳能电池结构设计

时间:2017-11-06 08:50来源: 作者: 点击:

 

 

新兴的有机-无机杂化型钙钛矿材料,凭借其理想的光电特性以及相对简易的制备工艺,在挑战硅基光伏器件主导地位上逐渐显示出巨大的潜力,并被Science 评为2013年十大科技进展之一。目前,钙钛矿型太阳能电池(PSCs)光电转换效率已超过22.0%,但是,其产业化依然面临诸多瓶颈问题,如稳定性、大面积化、无铅化、降成本等。设计新型器件结构以及如何进一步降低器件内部能量损失是本领域重要研究课题。

未来的光伏器件是否可以像电子或机械设备一样可以进行灵活拆卸和维修?为了实现这一想法,化学学院/精细化工国家重点实验室史彦涛教授课题组目前在该方向取得重要进展,在前期PSCs研究的基础上设计了一种可灵活拆卸和组装的新型光伏器件。不同于常规太阳能电池,该结构允许人们对电池阴极和阳极进行分别制备,两个电极的制备过程相互独立,彼此不受影响,这就为电池各个功能层的结构设计提供了更多选择。最后,两个电极可通过叠合的方式组装在一起形成完整电池。该新型器件结构的关键在于如何强化两个电极之间界面耦合作用,使之在不外加粘合剂的情况下容易实现良好电学接触。为此,该课题组采用噻吩类导电聚合物充当两个电极之间的连接层,通过对其进行掺杂和界面调控实现了两个电极之间的有效欧姆接触。基于该器件结构,我们可以大幅拓展阴极材料的选择范围,如导电玻璃、铜箔、铝箔、不锈钢片等,在未来更容易实现卷对卷(roll-to-roll)大面积制备。该器件结构具有良好的可靠性,在经过100次以上反复拆卸和组装后,器件性能并未降低。相关成果发表于Energy Environ. Sci., 2017, 10, 21172123

另外,该课题组还在PSCs新型材料制备与功能层结构设计方面取得了重要进展。电子传输层(ETL)是PSCs内部最重要的功能层之一,该课题在ETL方面的研究主要集中在两个方面:(1)通过ETL纳米结构设计减少光生电子转移过程中的动力学能量损失;(2)无机ETL材料的低温制备及器件柔性化。首先,首次将ETL传统结构中的TiO2致密层替换为非连续状的氧化锡层,以此在电池中引入了一个包含4组分的界面层,有效减少了电池内阻并大幅提升了器件性能(Nano Energy,2017, 38, 358367)。其次,基于一种新型溶胶-凝胶法降低了无机半导体材料结晶热力学势垒,实现了氧化锡纳米晶的低温制备,将制备温度由之前文献报道的150oC降低至40oC,并制备出来转换效率高达19.2%的电池器件(Nano Energy, 2017, 40, 336344)。另外,该课题组在单原子电催化方面取得了重要进展,通过将实验与理论结合,揭示了在新型光伏器件这一特殊电催化体系中单原子材料在具有高活性的原因(Nano Energy,2017, 3,9, 18)。

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