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能源環(huán)境新聞

大連理工大學(xué)化工學(xué)院在高效低成本新型光伏技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破

星之球科技 來源:大連理工大學(xué)2021-12-22 我要評(píng)論(0 )   

作為第三代新興光伏技術(shù),有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)近10年來能量轉(zhuǎn)換效率突飛猛進(jìn),經(jīng)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證的效率高達(dá)25.5%,已接近單晶硅太陽能電池(26.7%)...

作為第三代新興光伏技術(shù),有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)近10年來能量轉(zhuǎn)換效率突飛猛進(jìn),經(jīng)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證的效率高達(dá)25.5%,已接近單晶硅太陽能電池(26.7%)。憑借成本低廉、制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、可柔性化、弱光可發(fā)電等諸多優(yōu)點(diǎn),PSCs在光伏領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大應(yīng)用前景,其發(fā)展受到各國學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。當(dāng)前,PSCs長期穩(wěn)定性以及貴金屬電極材料產(chǎn)生的成本問題仍然是阻礙PSCs大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙。PSCs目前廣泛使用的Au/Ag等貴金屬電極除了價(jià)格昂貴外,還存在易與鈣鈦礦中的鹵素離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、進(jìn)而被腐蝕的問題,降低了電池的長期穩(wěn)定性。以廉價(jià)的碳電極取代貴金屬電極是提升PSCs穩(wěn)定性并降低成本的有效策略,然而由于界面接觸、能級(jí)失配和電荷傳輸動(dòng)力學(xué)遲緩等問題,碳基PSCs能量轉(zhuǎn)換效率一直處于相對(duì)較低的水平(絕大多數(shù)都不超過18%)。如何提升碳基PSCs能量轉(zhuǎn)換效率,是本領(lǐng)域亟待破解的難題之一。圖1 Ti1-rGO的制備示意圖及其形貌結(jié)構(gòu)表征近日,我?;W(xué)院化學(xué)系史彥濤教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合瑞士洛桑聯(lián)邦理工Michael Gr?tzel教授團(tuán)隊(duì)及東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院朱超研究員,創(chuàng)新性地利用碳基負(fù)載金屬單原子電極材料Ti1/rGO,并結(jié)合一種更為先進(jìn)的器件結(jié)構(gòu),有效調(diào)控了碳基C-PSCs光生載流子界面轉(zhuǎn)移/傳輸動(dòng)力學(xué),大幅減少了能量損失。以此為基礎(chǔ)制備的新型碳基PSCs能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)21.6%,遠(yuǎn)高于本領(lǐng)域先前報(bào)道器件性能(絕大多數(shù)<18%)。更加可喜的是,未封裝器件在25℃和60℃分別連續(xù)照射工作1300 h(氮?dú)獗Wo(hù),1 sun)后,能量轉(zhuǎn)換效率依然保持初始值的98%和95%,展現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性。圖2 Ti1-rGO基C-PSCs的光電特性及穩(wěn)定性本項(xiàng)研究為進(jìn)一步推進(jìn)PSCs產(chǎn)業(yè)化提供了重要思路,其創(chuàng)新之處在于,首次將結(jié)構(gòu)明確的單原子材料(SAMs)應(yīng)用于全固態(tài)光電器件領(lǐng)域。研究結(jié)果表明,當(dāng)單原子Ti通過特定化學(xué)結(jié)構(gòu)負(fù)載于還原氧化石墨烯(rGO)時(shí),rGO的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,引起費(fèi)米能級(jí)下降和功函數(shù)增大,使得Ti1/rGO與空穴傳輸層的能級(jí)更加匹配,有利于界面電荷轉(zhuǎn)移。其意義在于,不僅發(fā)展了一種調(diào)控碳材料電學(xué)特性的先進(jìn)方法,同時(shí)深化了對(duì)碳材料化學(xué)結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能之間構(gòu)-效關(guān)系的理解,更加拓展了SAMs的應(yīng)用領(lǐng)域。其次,本項(xiàng)研究中所采用的器件結(jié)構(gòu)為疊合式碳基PSCs,是一種可實(shí)現(xiàn)模塊化制備和組裝的新型光伏器件,能夠完全不依賴真空沉積技術(shù),且可以使用廉價(jià)的電極材料,大幅降低了光伏器件設(shè)備和材料成本。更重要的是,這種新型器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光生電荷縱向提取和橫向傳輸過程的解耦,從根本上解決了傳統(tǒng)碳基PSCs器件電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)能量損失過大的問題。研究成果以“Ti1–graphene single-atom material for improved energy level alignment in perovskite solar cells”為題發(fā)表于能源領(lǐng)域知名期刊Nature Energy。該研究工作由校內(nèi)外多個(gè)課題組共同完成,我校為第一作者和第一通訊單位,我校博士生張春陽為共同一作(排名第一)。本項(xiàng)研究的參與單位包括洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、東南大學(xué)、香港科技大學(xué)、廈門大學(xué)、中科院大連化學(xué)物理研究所。本項(xiàng)研究獲得了國家自然科學(xué)基金、“興遼英才計(jì)劃”項(xiàng)目、大連市科技創(chuàng)新基金、遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金等資助。原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41560-021-00944-0

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