西建大(云斯寧)/蘭大(秦勇)/上海高研院(李東棟)/西交大(韓曉剛)等Energy Environ. Sci.：基于染料敏化和鈣鈦礦太陽能電池的新一代集成器件

【引言】

能源危機和環境污染是當今世界人類社會面臨的兩大難題，可再生能源的利用是解決這一問題的關鍵。太陽能和生物質能作為資源量最大的可再生能源，其高效開發和利用對于能源的可再生利用和社會的可持續發展意義非凡。近年來，隨著新一代太陽能電池研究熱情的急劇增加，使得太陽能電池集成器件出現了新的發展趨勢。

傳統的集成電池組包含硅太陽能電池板和固態鋰電池兩個獨立的部分，導致體積較大和笨重。一個能夠整合捕能和儲能于一體的集成器件電池組不但可以減小其體積，還可以提高能量轉化率，是電動系統開發的一個重要方向。新一代太陽能電池集成系統能夠將捕能器件（如硅太陽電池、薄膜太陽能電池、有機太陽能電池、染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦型太陽能電池等）和儲能器件（如鋰離子電池、超級電容器等）集成在同一個系統中，實現能源捕獲、轉化和儲存，這對于自供給系統和便攜式/可穿戴電子設備的精巧使用意義重大。

【成果簡介】

染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦型太陽能電池由于具有良好的光伏性能和低溫的可加工性，使其在器件集成方面受到越來越多的關注。近日，由西安建筑科技大學云斯寧教授牽頭，蘭州大學秦勇教授、華盛頓大學Alexander R Uhl博士、瑞士聯邦理工Nick Vlachopoulos博士，Anders Hagfeldt教授、上海高等技術研究院李東棟研究員、西安交通大學韓曉剛教授等參與，合作完成的題為“基于染料敏化和鈣鈦礦太陽能電池的新一代集成器件”的評論文章，在環境能源領域超一流國際期刊《Energy & Environmental Science》在線發表（IF=29.518）。基于現有的研究工作，論文全面總結了集成器件目前的研究現狀、最近的發展趨勢、研究熱點和難點，詳細評估了不同集成電力系統的技術優勢，討論了成功實現市場化的機遇，展望了未來面臨的挑戰。將多項技術集成在一個單元中，是提高系統性能、減小系統體積和重量、擴大系統適用性的有力手段。論文提出的觀點對太陽能電池集成器件的快速發展具有重要的引領和指導作用。

圖1? 過去25年染料敏化太陽能電池（DSSC）效率提升進展（1991-2016）。

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圖2? 基于固態染料敏化太陽能電池（DSSC）發展起來的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）結構進展。

（a）鈣鈦礦敏化的固態介孔結構，電池效率9.7%；（b）介孔超結構，電池效率10.9%；（c）介孔結構，電池效率12%；（d）平面結構，電池效率15.4%；（e）介孔結構和平面結構顯微結構對比。

圖3? 基于固態染料敏化太陽能電池（DSSC）發展起來的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）效率提升進展（1998-2016）。

（a）代表性的固態染料敏化、鈣鈦礦敏化、鈣鈦礦電池效率及認證效率PCE；（b）介孔結構和平面結構電池效率對比。

圖4? 基于染料敏化太陽能電池（DSSC）和鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的集成器件類型。

（I）染料敏化太陽能電池（DSSC）與鋰離子電池（LIB）、超級電容器（SC）及納米發電裝置（NG）的集成；（II）鈣鈦礦太陽能電池（PSC）與硅基太陽能電池（SSC）、薄膜太陽能電池（CIGS）和有機太陽能電池（OSC）的集成；（III）染料敏化太陽能電池（DSSC）和鈣鈦礦太陽能電池（PSC）與光電合成電池（PESC）和電解電池（ELC）的集成。

圖5? 鈣鈦礦太陽能電池（PSC，Top cell）與硅太陽能電池（SSC，bottom cell）集成器件，其效率達到了25.2%。

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圖6? 鈣鈦礦太陽能電池（PSC）與薄膜太陽能電池（CIGS）集成器件，其效率達到了19.5%。

圖7? 鈣鈦礦太陽能電池（PSC）與有機太陽能電池（OSC）集成器件，其效率達到了12.98%。

圖8? 染料敏化太陽能電池（DSSC）與鋰離子電池（LIB）集成器件。

圖9? 染料敏化太陽能電池（DSSC）與納米發電裝置（NG）集成器件。上圖為平面結構；下圖為纖維結構。

圖10? 染料敏化太陽能電池（DSSC）與超級電容器（SC）集成器件。左圖為平面結構；中圖為纖維結構；右圖為納米管陣列結構。

圖11? 染料敏化太陽能電池（DSSC）與超級電容器（SC）及納米發電裝置（NG）集成。

圖12? 鈣鈦礦太陽能電池（PSC）與超級電容器（SC）集成器件。

圖13? 染料敏化太陽能電池（DSSC）與光電合成電池（PESC）耦合集成器件。

圖14? 鈣鈦礦太陽能電池（PSC）與光電合成電池（PESC）耦合集成器件。

圖15? 鈣鈦礦太陽能電池（PSC）與電解電池（ELC）耦合集成器件。

（a）三個鈣鈦礦電池（PSC）串聯與電解電池（ELC）集成還原二氧化碳；（b）兩個鈣鈦礦電池（PSC）串聯與電解電池（ELC）集成分解水制氫。

【總結與展望】

目前集成器件的研究還處于起步階段，能量轉化和存儲效率還較低。討論集成系統存在的問題，為滿足未來不同領域對于高效持久集成器件高質量的需求，需要從材料角度提高這種發電存儲一體化器件的性能、耐久性、穩定性以及大面積生產能力。同時，進行新一代集成器件結構的設計，使不同功能單元更好地相互匹配對能量利用效率的提高也至關重要。總體來說，基于染料敏化DSSC和鈣鈦礦PSC技術的集成器件具有通過一系列固有優勢 （如低溫和低成本加工、機械靈活性、剛性或柔性襯底的選擇、低毒(對DSSC而言)、優異的低光性能、顏色和透明度的可調性等）和特性的進一步利用和提高而實現廣泛應用。

論文鏈接：New-generation integrated devices based on dye-sensitized and perovskite solar cells ( Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C7EE03165C )

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