太陽能電池研究進展:零CO2排放的硝酸鹽生產、可印刷介觀鈣鈦礦太陽電池、染料敏化太陽能電池等|FOE虛擬專刊

2021-01-17 科研圈

能源危機和環境汙染是21世紀人類面臨的主要挑戰。開發高效、穩定、低生產成本的太陽能電池，是實現太陽能大規模利用與以化石燃料為主的電網發電 「價格均等」的有效途徑。


本期虛擬專刊選取了 Frontiers of Optoelectronics 期刊 2018-2019 年發表的太陽能電池相關的文章，這些文章介紹了華中科技大學武漢光電國家研究中心和其他研究單位在鈣鈦礦太陽能電池、有機太陽能電池、染料敏化太陽能電池，以及它們的材料、器件結構、製作工藝、測試分析等方面的部分研究進展。希望這些研究工作能給從事太陽能電池相關研究的讀者們帶來一些有益的啟示。


非熱等離子體固氮生成硝酸鹽：可再生電力儲存的解決方案？


摘要：太陽能和風能技術的迅速發展產生了大量低質量的電能，這些電能需要更好的儲存或使用，而不是被電網丟棄。在這裡，我們建議用非熱等離子體氧化N2生成硝酸鹽或其他有價值的含氮化合物，來取代電化學CO2還原和/或NH3生成的方法。該方法使用空氣作為反應物，避免了溶解度的問題，同時，其能耗僅為0.2 MJ/mol，甚至低於工業上非常成功的用於NH3生產的Haber-Bosch工藝（0.48 MJ/mol）。我們主張，等離子體界和化學界的研究人員應共同努力，建立節能的非熱等離子體裝置，識別出健壯、高活性和低成本的催化劑，並理解等離子體環境中的催化機理。我們有信心在不久的將來實現零二氧化碳排放的硝酸鹽的生產。


[PERSPECTIVE] Non-thermal plasma fixing of nitrogen into nitrate: solution for renewable electricity storage? 

Yi HE, Zhengwu CHEN, Zha LI, Guangda NIU, Jiang TANG

Front. Optoelectron., 2018, 11 (1): 92-96.





面向可印刷介觀鈣鈦礦太陽電池，用於製備高產量二氧化鈦薄膜的絲網印刷過程控制（封面文章）


摘要：絲網印刷技術已廣泛應用於傳統矽太陽電池和新興光伏電池的製造，如染料敏化太陽能電池（DSSCs）和鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）。特別是，我們開發了一種基於TiO2/ZrO2/碳三層支架的可印刷介觀PSC，支架的沉積完全基於絲網印刷工藝，為低成本光伏器件開闢了可期待的前景。然而用於製造高效可印刷PSC的TiO2層的最佳厚度遠小於絲網印刷薄膜的典型厚度。這裡，我們調整了TiO2薄膜的漿料濃度和印刷參數，並成功地印刷了厚度為500-550 nm的TiO2薄膜。我們研究了薄膜厚度與漿料固含量和粘度、印刷速度和壓力，以及溫度等印刷參數的關係。此外，還研究了TiO2薄膜邊緣具有更大厚度和印刷位置精度的邊緣效應。這項工作將極大助力於可印刷介觀PSCs的進一步發展。


[RESEARCH ARTICLE] Screen printing process control for coating high throughput titanium dioxide films toward printable mesoscopic perovskite solar cells

Zhining WAN, Mi XU, Zhengyang FU, Da LI, Anyi MEI, Yue HU, Yaoguang RONG, Hongwei HAN

Front. Optoelectron., 2019, 12(4): 344-351.





平板鈣鈦礦太陽能電池中雙胍摻雜電子傳輸層實現82%以上的高填充因子


摘要：在電子輸運材料中進行N摻雜是提高鈣鈦礦太陽電池（PSCs）電子收集能力和提高性能的有效途徑。本文首次採用1-(o-Tolyl) biguanide（oTb）對電子輸運材料phenyl-C61-butyric acid methyl ester（PCBM）進行了摻雜。在PCBM中摻雜oTb可以提高PCBM的導電率，降低PCBM的功函數。oTb摻雜能顯著提高鈣鈦礦太陽電池的填充因子（FF），其結構為玻璃/ITO/NiOx/mappi3/(oTb)PCBM/(PEIE)/Ag。對於沒有PEIE（聚乙基亞胺乙氧基化）塗層的電池，oTb摻雜使FF從0.57增加到0.73。在光照下，oTb摻雜後去除了電流密度-電壓（J-V）特性曲線的S形彎曲。對於 (oTb)PCBM和Ag之間有PEIE塗層的電池，oTb摻雜使得FF從0.70增加到0.82。這些結果表明，oTb作為一種n型摻雜劑在鈣鈦礦太陽電池中具有潛在的應用前景。


[RESEARCH ARTICLE] High fill factor over 82% enabled by a biguanide doping electron transporting layer in planar perovskite solar cells

Ru GE, Fei QIN, Lin HU, Sixing XIONG, Yinhua ZHOU.

Front. Optoelectron., 2018, 11 (4): 360-366.  





用於染料敏化太陽能電池的ZnO/Nb2O5核/殼納米棒陣列光陽極


摘要：本文合成了ZnO/Nb2O5核/殼納米棒陣列，並將其用作染料敏化太陽能電池（DSSC）的光陽極。我們首先採用水熱法在氟摻雜氧化錫（FTO）玻璃上製備ZnO納米棒陣列，然後在NbCl5溶液中通過溶劑熱反應直接得到ZnO/Nb2O5核/殼納米棒陣列。掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）顯示ZnO納米棒被厚度為30-40 nm的Nb2O5殼層均勻包裹。光伏特性表徵結果表明，基於ZnO/Nb2O5核/殼納米棒光陽極的器件效率提高到1.995%，而基於裸ZnO納米棒光陽極的DSSC的效率僅為0.856%。這證明了包覆Nb2O5殼層可以改善ZnO納米棒的光伏性能。


[RESEARCH ARTICLE] ZnO/Nb2O5 core/shell nanorod array photoanode for dye-sensitized solar cells

Xiaoyan HU, Heng WANG.

Front. Optoelectron., 2018, 11 (3): 285-290.  






醚鏈功能化富勒烯衍生物作為高效有機太陽能電池陰極界面材料


摘要：電子輸運層（ETL）在電子注入和抽群過程中起著至關重要的作用，可以實現電荷的平衡輸運，降低界面能壘。在疏水性有機活性層和親水性無機電極之間採用適當的緩衝層實現界面相容性和電接觸對電荷收集也是至關重要的。本文開發了一種醚鏈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），用於改性倒置結構有機太陽能電池（OSC）中的氧化鋅（ZnO）。複合ZnO/C60-2EPM界面層有助於克服ZnO與有機活性層界面相容性差的問題。通過引入C60-2EPM層，複合富勒烯衍生物調整了能量排列，加速了電子輸運，從而提高了倒置結構OSC的光電流和功率轉換效率（PCE）。當濃度分別為2.0和4.0 mg/mL時，基於PTB7-Th:PC71BM的PCE從裸ZnO的8.11%提高到8.38%和8.65%。富勒烯衍生物C60-2EPM也作為第三組分加入P3HT:PC61BM混合物中形成三元體系，加入C60-2EPM的器件比對照器件顯示出更好的特性。


[RESEARCH ARTICLE] Ether chain functionalized fullerene derivatives as cathode interface materials for efficient organic solar cells

Jikang LIU, Junli LI, Guoli TU.

Front. Optoelectron., 2018, 11 (4): 348-359.  





掃描電化學顯微鏡用於太陽能電池和光電化學水分解研究的最新進展


摘要：研究半導體/電解質界面電荷輸運的機理和動力學，對於提高光電轉換效率，開發新型高效光伏器件具有重要意義。掃描電化學顯微鏡（SECM）作為一種強大的分析技術，具有高時空解析度的潛在優勢。自1989年Bard研究組首次介紹SECM以來，它已經擴展到廣泛的研究領域，包括生物、酶、腐蝕、能量轉換和儲存（如太陽能電池、氫和電池）。本文綜述了SECM的基本原理和發展，重點介紹了SECM用於光電化學（PEC）單元研究的最新進展，包括太陽能電池和PEC水分解。這些進展包括光催化劑/光電極的快速篩選、界面反應動力學和反應中間產物的定量分析，這對性能評價、催化劑的選擇以及新型複合光陽極和高效器件的開發具有重要意義。最後簡要介紹了SECM在能源研究中的發展趨勢。


[REVIEW ARTICLE] Recent advances in solar cells and photo-electrochemical water splitting by scanning electrochemical microscopy

Xiaofan ZHANG, Man LIU, Weiqian KONG, Hongbo FAN.

Front. Optoelectron., 2018, 11 (4): 333-347.




期刊簡介

Frontiers of Optoelectronics（FOE）期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德國施普林格（Springer）出版公司海外發行的Frontiers系列英文學術期刊之一，以網絡版和印刷版兩種形式出版。由北京大學龔旗煌院士、華中科技大學張新亮教授共同擔任主編。


其宗旨是介紹國際光電子領域最新研究成果和前沿進展，並致力成為本領域內研究人員與國內外同行進行快速學術交流的重要信息平臺。該刊的聯合主辦單位是高等教育出版社、華中科技大學和中國光學學會，承辦單位是武漢光電國家研究中心。FOE期刊已被Emerging Sources Citation Index (ESCI), Ei Compendex, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSA, Chinese Science Citation Database (CSCD), OCLC, SCImago, Summon by ProQuest等收錄。2019年入選中國科技期刊卓越行動計劃梯隊期刊項目。


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  • 華中科大全印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池研究獲突破
    7月18日出版的《科學》(Science)雜誌刊發了華中科技大學韓宏偉課題組在國家自然科學基金委員會青年基金(項目編號61106056)資助下完成的有關全印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池研究的新成果。　　充分利用太陽能是解決目前人類面臨的能源短缺和環境汙染等問題的根本途徑。
  • 染料敏化太陽能電池小知識
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  • 【能源】用一種藍染料實現多種色彩半透明染料敏化太陽能電池
    這種太陽能電池還可以非常高效地利用散射光，在室內光下的PCE已經超過30%，優於傳統薄膜光伏，有機太陽能電池，以及含鉛鈣鈦礦太陽能電池。染料敏化太陽能電池的大面積製備技術漸趨成熟。採用低成本的絲網印刷技術，染料敏化太陽能電池單個模組的面積已經超過一平方米。從商業角度來看，彩色半透明染料敏化太陽能電池非常適合分散式能源供應，可以應用於玻璃幕牆，天窗以及溫室。
  • 染料敏化太陽能電池之父邁克·格萊才爾做客清華論壇
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    太陽能電池的發展，從第一代單晶矽PN半導體形式，到第二代非晶矽、砷化鎵（GaAs）等其它半導體材料，以薄膜化或多接面串接來提升轉換效率，逐漸進化到強調低成本、製程設備與原料取得容易，且可彎撓的第三代太陽能電池，而其中以「染料敏化太陽能電池」（DSSC）發展最被看好。
  • 哈工大染料敏化太陽能電池研究取得新進展
    日前從城市水資源與水環境國家重點實驗室獲悉，哈爾濱工業大學理學院化學系李欣教授課題組與澳大利亞莫納什大學利昂·斯皮西亞教授合作開展了染料敏化太陽能電池的研究，相關工作近期取得重要進展，最新研究成果《十八烷基三氯矽烷表面改性調控基於水系染料敏化太陽能電池的電子複合》於近日發表在國際著名期刊
  • 染料敏化太陽能電池技術的介紹
    染料敏化太陽能電池技術的介紹 電子設計 發表於 2019-03-27 08:03:00 人們普遍認為，太陽能電池可以大致分為三個技術「代」之一。
  • 鈣鈦礦太陽能光伏電池特點、產業布局與發展前瞻
    第三代太陽能光伏電池，主要是鈣鈦礦太陽能電池、量子點太陽能電池、有機光伏電池等一些新概念光伏電池。其中基於染料敏化太陽能電池發展起來的鈣鈦礦太陽能光伏電池以其較高的光電轉換效率、較低的製造成本、可製備柔性結構等優勢，成為最有發展前景第三代太陽能光伏電池。
  • 染料敏化太陽能電池(DSSCs)未來應用前景廣闊
    我國改善能源結構也必須積極發展可再生能源和新能源，不斷提高清潔能源在能源結構中的比重。　　作為一種「取之不盡、用之不竭」的潔淨的天然能源，太陽能成為最有希望的能源之一。目前研究和應用最廣泛的太陽能電池主要是矽系太陽能電池，但矽系電池原料成本高、生產工藝複雜、效率提高潛力有限，其光電轉換效率的理論極限值為30%，因此其民用化受到技術性限制，急需開發低成本的太陽能電池。
  • 鈣鈦礦太陽能電池研究進展
    太陽能光伏技術作為未來清潔能源，符合社會發展的歷史潮流和國家能源戰略的大方針，太陽能電池及其系統集成技術已在全世界範圍內引起前所未有的關注。基於全固態鈣鈦礦材料的太陽電池是當今最有前途的幾種光伏器件之一，能大幅降低太陽電池的製備成本和使用成本。
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    點文章標題下方「高科技與產業化」或搜索公眾號：hitechcas跟蹤高科技產業發展動向技術趨勢 太陽電池是有效利用太陽能的一種重要途徑矽太陽電池雖然已經商業化，轉化效率較高，但是其材料的純度要求較高，工業複雜，成本昂貴，限制了其普及應用。化合物太陽電池包括Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物電池，分別主要有砷化鎵（GaAs）電池、碲化鎘（CdTe）電池等，但這些電池原料具有來源不豐富，對環境不友好等缺點。
  • 染料敏化太陽能電池創新紀錄
    北極星太陽能光伏網訊:格拉茲爾(Grätzel)染料敏化太陽能電池效率剛剛創立新紀錄。通過改變電池成分和顏色，洛桑聯邦理工學院(EPFL)的研究小組把它們的效率提高到12%以上。他們的研究結果剛剛發表在《科學》上。
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    打開APP 染料敏化太陽能電池 佚名 發表於 2010-10-08 18:25:41 染料敏化太陽能電池能使太陽能更便宜，這種電池比傳統的矽太陽能電池成本更低，而且更容易印在柔軟的表面，但也存在一個問題，製造這類高效的電池需要由貴重的金屬釕和易揮發的電解液製成染料。
  • 在全世界的DSSC染料敏化太陽能電池
    其中染料敏化太陽能電池（DSSC，dye-sensitized solar cell）也被稱為第三代太陽能電池。其使用有機(Organic)、奈米晶體(Nano-Based)或染料敏化(Dyesensitized TitaniumOxide)等材料，因其材料便宜、可在低溫、簡單的製程製作，為所有太陽能電池中製作成本最低者，且應用廣泛。
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    第三代太陽能電池「染料敏化太陽能電池」問世北極星太陽能光伏網訊:近日，臺灣交通大學、臺灣中興大學研究團隊與瑞士洛桑聯邦理工學院合作，成功研發出第三代太陽能電池「染料敏化太陽能電池」，光電轉換率突破13%、低照度、低成本及多彩、可彎曲等優勢，讓它一舉榮登11月美國《科學雜誌
  • 對染料敏化太陽能電池的認知
    染料敏化太陽能電池（DSC或DSSC）源自光合作用研究（圖1）。
  • 有望引發能源革命的太陽能電池
    其中，基於染料敏化太陽能電池發展起來的鈣鈦礦太陽能電池，以其較高的光電轉換效率、較低的製造成本、可製備柔性結構等優勢，成為最有發展前景的第三代太陽能電池。 鈣鈦礦太陽能電池的發展現狀 國外眾多高校、研究機構開展了鈣鈦礦太陽能電池技術研究，並創造了多次光電轉換效率的世界紀錄，已經開始產業化推進。總體上，我國鈣鈦礦太陽能電池技術與國外先進水平基本持平，產業化工作正在積極推進。
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