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FOE虚拟专刊 太阳能电池研究新进展

作者:william威廉希尔    发布时间:2020-11-13 15:38    

  能源危机和环境污染是21世纪人类面临的主要挑战。开发高效、稳定、低生产成本的太阳能电池,是实现太阳能大规模利用与以化石燃料为主的电网发电 “价格均等”的有效途径。本期虚拟专刊选取了Frontiers of Optoelectronics期刊2018-2019年发表的太阳能电池相关的文章,这些文章介绍了华中科技大学武汉光电国家研究中心和其他研究单位在钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池,以及它们的材料、器件结构、制作工艺、测试分析等方面的部分研究进展。希望这些研究工作能给从事太阳能电池相关研究的读者们带来一些有益的启示。

  摘要:太阳能和风能技术的迅速发展产生了大量低质量的电能,这些电能需要更好的储存或使用,而不是被电网丢弃。在这里,我们建议用非热等离子体氧化N2生成硝酸盐或其他有价值的含氮化合物,来取代电化学CO2还原和/或NH3生成的方法。该方法使用空气作为反应物,避免了溶解度的问题,同时,其能耗仅为0.2 MJ/mol,甚至低于工业上非常成功的用于NH3生产的Haber-Bosch工艺(0.48 MJ/mol)。我们主张,等离子体界和化学界的研究人员应共同努力,建立节能的非热等离子体装置,识别出健壮、高活性和低成本的催化剂,并理解等离子体环境中的催化机理。我们有信心在不久的将来实现零二氧化碳排放的硝酸盐的生产。

  面向可印刷介观钙钛矿太阳电池,用于制备高产量二氧化钛薄膜的丝网印刷过程控制(封面文章)

  摘要:丝网印刷技术已广泛应用于传统硅太阳电池和新兴光伏电池的制造,如染料敏化太阳能电池(DSSCs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)。特别是,我们开发了一种基于TiO2/ZrO2/碳三层支架的可印刷介观PSC,支架的沉积完全基于丝网印刷工艺,为低成本光伏器件开辟了可期待的前景。然而用于制造高效可印刷PSC的TiO2层的最佳厚度远小于丝网印刷薄膜的典型厚度。这里,我们调整了TiO2薄膜的浆料浓度和印刷参数,并成功地印刷了厚度为500-550 nm的TiO2薄膜。我们研究了薄膜厚度与浆料固含量和粘度、印刷速度和压力,以及温度等印刷参数的关系。此外,还研究了TiO2薄膜边缘具有更大厚度和印刷位置精度的边缘效应。这项工作将极大助力于可印刷介观PSCs的进一步发展。

  摘要:在电子输运材料中进行N掺杂是提高钙钛矿太阳电池(PSCs)电子收集能力和提高性能的有效途径。本文首次采用1-(o-Tolyl) biguanide(oTb)对电子输运材料phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM)进行了掺杂。在PCBM中掺杂oTb可以提高PCBM的导电率,降低PCBM的功函数。oTb掺杂能显著提高钙钛矿太阳电池的填充因子(FF),其结构为玻璃/ITO/NiOx/mappi3/(oTb)PCBM/(PEIE)/Ag。对于没有PEIE(聚乙基亚胺乙氧基化)涂层的电池,oTb掺杂使FF从0.57增加到0.73。在光照下,oTb掺杂后去除了电流密度-电压(J-V)特性曲线的S形弯曲。对于 (oTb)PCBM和Ag之间有PEIE涂层的电池,oTb掺杂使得FF从0.70增加到0.82。这些结果表明,oTb作为一种n型掺杂剂在钙钛矿太阳电池中具有潜在的应用前景。

  摘要:本文合成了ZnO/Nb2O5核/壳纳米棒阵列,并将其用作染料敏化太阳能电池(DSSC)的光阳极。我们首先采用水热法在氟掺杂氧化锡(FTO)玻璃上制备ZnO纳米棒阵列,然后在NbCl5溶液中通过溶剂热反应直接得到ZnO/Nb2O5核/壳纳米棒阵列。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)显示ZnO纳米棒被厚度为30-40 nm的Nb2O5壳层均匀包裹。光伏特性表征结果表明,基于ZnO/Nb2O5核/壳纳米棒光阳极的器件效率提高到1.995%,而基于裸ZnO纳米棒光阳极的DSSC的效率仅为0.856%。这证明了包覆Nb2O5壳层可以改善ZnO纳米棒的光伏性能。

  摘要:电子输运层(ETL)在电子注入和抽群过程中起着至关重要的作用,可以实现电荷的平衡输运,降低界面能垒。在疏水性有机活性层和亲水性无机电极之间采用适当的缓冲层实现界面相容性和电接触对电荷收集也是至关重要的。本文开发了一种醚链功能化富勒烯衍生物[6,6]-phenyl-C61-butyricacid-(3,5-bis(2-(2-ethoxyethoxy)-ethoxy)-phenyl)-methyl ester(C60-2EPM),用于改性倒置结构有机太阳能电池(OSC)中的氧化锌(ZnO)。复合ZnO/C60-2EPM界面层有助于克服ZnO与有机活性层界面相容性差的问题。通过引入C60-2EPM层,复合富勒烯衍生物调整了能量排列,加速了电子输运,从而提高了倒置结构OSC的光电流和功率转换效率(PCE)。当浓度分别为2.0和4.0 mg/mL时,基于PTB7-Th:PC71BM的PCE从裸ZnO的8.11%提高到8.38%和8.65%。富勒烯衍生物C60-2EPM也作为第三组分加入P3HT:PC61BM混合物中形成三元体系,加入C60-2EPM的器件比对照器件显示出更好的特性。

  摘要:研究半导体/电解质界面电荷输运的机理和动力学,对于提高光电转换效率,开发新型高效光伏器件具有重要意义。扫描电化学显微镜(SECM)作为一种强大的分析技术,具有高时空分辨率的潜在优势。自1989年Bard研究组首次介绍SECM以来,它已经扩展到广泛的研究领域,包括生物、酶、腐蚀、能量转换和储存(如太阳能电池、氢和电池)。本文综述了SECM的基本原理和发展,重点介绍了SECM用于光电化学(PEC)单元研究的最新进展,包括太阳能电池和PEC水分解。这些进展包括光催化剂/光电极的快速筛选、界面反应动力学和反应中间产物的定量分析,这对性能评价、催化剂的选择以及新型复合光阳极和高效器件的开发具有重要意义。最后简要介绍了SECM在能源研究中的发展趋势。

  Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德国施普林格(Springer)出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一,以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、华中科技大学张新亮教授共同担任主编。

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