頂刊動態｜AM/JACS等太陽能電池近期學術進展匯總【新能源周報160725期】
太陽能是一種具有良好應用前景的清潔能源，也是當今新能源領域的研究熱點，各種利用太陽能的器件不斷誕生，其中，太陽能電池是最為成熟的應用，與此同時，科學家們也在不斷地改善太陽能電池的性能，各種類型的太陽能電池也應運而生，包括鈣鈦礦太陽能電池、聚合物太陽能電池等。下面，讓我們一起來看看本周在各大頂級期刊上有哪些太陽能電池的最新研究進展吧。
1.Advanced Materials：利用鹽酸輔助在室溫下沉積高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池
圖1. a)電池的SEM截面圖. b) J-V曲線. c)25 s內電流密度和轉換效率的變化. d)電池的外量子效應曲線. e)大面積電池的J-V曲線
近些年來，鈣鈦礦太陽能電池的效率已經從3%提升到20%以上，目前最大的難題是電池的穩定性。雖然覆蓋一層多孔層或者致密的電荷提取層可以有效地提高其在空氣中的穩定性，然而，鈣鈦礦層本身在空氣中還是不穩定的。
最近，北京大學分子科學國家實驗室徐東升教授（通訊作者）的課題組發明了一種可以在室溫下利用鹽酸輔助和旋涂的方法制備具有大晶粒、平滑、覆蓋率高的鈣鈦礦薄膜。該薄膜使得鈣鈦礦太陽能電池的效率達到17.9%并且具有優異的穩定性，在空氣中存儲30天后效率仍可保持16.9%。如圖a是電池的結構。
這個制備方法由于其簡便和制得薄膜的高穩定性有望投入實際應用，并且室溫下進行的工藝也有望應用于柔性襯底。
2.Advanced Materials：用于高效聚合物太陽能電池的低帶隙小分子受主
圖2. a) J–V曲線. b) 電池的EQE曲線. c) 光強度的依賴性. d) 光電流-有效電壓曲線
在過去兩年，非富勒烯聚合物太陽能電池的光電性能已經趕超了富勒烯基太陽能電池。由于聚合物施主和低帶隙非富勒烯受主的結合可以形成一個低帶隙的體異質結，因此，低帶隙非富勒烯受主的設計和合成成為了一個熱點。
最近，中科院高分子物理與化學國家重點實驗室的侯劍輝教授（通訊作者）課題組設計并合成了一種低帶隙的受主材料（IEICO），這種材料由于引入了烷氧基，使得帶隙只有1.34 eV。以PBDTTT-E-T作為施主，IEICO材料作為受主的非富勒烯基聚合物太陽能電池的轉換效率達到了8.4%，開路電壓為0.82Ｖ，其串聯電池的效率高達10.7%。
這種材料為低帶隙、非富勒烯基、高開路電壓的受主的分子設計提供了可能。
文獻鏈接：Design and Synthesis of a Low Bandgap Small Molecule Acceptor for Efficient Polymer Solar Cells
3.Advanced Materials：效率高達11%的三元有機太陽能電池
圖3. a) 電池中使用的各種材料的能級. b) PTB7薄膜和DPPEZnP-THE薄膜的紫外光吸收光譜
多元混合物有機太陽能電池與傳統異質結相比具有諸多優異的性能，適用于單層器件，并且可以串聯以提高性能。然而，近紅外區的吸收仍然是一個挑戰，這依賴于界面處的電荷提取，而目前相關的研究仍較缺乏。
最近，華南理工大學發光材料與器件國家實驗室的謝增旗、彭小彬教授（通訊作者）以及南方科技大學的Thomas P. Russell教授（通訊作者）課題組制備了一種三元有機太陽能電池，通過近紅外增感和界面工程，其電池效率高達11.03%，三元化合物的光吸收提高了短路電流，小分子DPPEZnP-THE增加了近紅外敏感，ZnO:PBI-H作為光陰極降低了載流子的重組和提高了電荷的提取，從而使電池性能獲得了顯著的提升。如圖為電池結構。
該課題組正在研究性能更好的施主聚合物，將有望使電池效率進一步提高。
4.Advanced Materials：使用中帶隙施主和低帶隙受主的高效非富勒烯聚合物太陽能電池
圖4. a) 電池結構. b) 聚合物J50、J51和ITIC的化學結構. c) J51和ITIC薄膜的吸收光譜
目前聚合物太陽能電池的受體材料主要是使用富勒烯衍生物，但是富勒烯材料仍具有諸多缺點，如可見光的吸收差等。n型有機半導體材料（n-OS）的優異性能使得它有望取代富勒烯材料。
最近，北京大學分子科學國家實驗室的李永舫、Zhi-Guo Zhang教授（通訊作者）課題組以及伯克利勞倫斯國家實驗室的Feng Liu教授（通訊作者）課題組使用了一種非富勒烯共聚物材料J51（如圖）作為中帶隙施主材料和ITIC（如圖）作為低帶隙受主材料，J51/ITIC結構可以吸收300到780納米的光波（J51吸收短波段，ITIC吸收長波段），而且具有相互匹配的電子能級和較高的載流子遷移率，使得其電池效率高達9.26%。
該項研究表明非富勒烯聚合物太陽能電池具有良好的前景。
文獻鏈接：High-Efficiency Nonfullerene Polymer Solar Cells with Medium Bandgap Polymer Donor and Narrow Bandgap Organic Semiconductor Acceptor
5.JACS：通過引入CH3NH3PbBr0.9I2.1量子點增強鈣鈦礦太陽能電池的性能
圖5. (a) 電池結構的示意圖. (b) 電池中使用的各種材料的能級. (c) 電池制備過程的示意圖. (d) 電池的SEM截面圖.
有機-無機雜化鈣鈦礦材料最近獲得了很多的關注，盡管羥乙基甲基鉛鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的效率已經達到了19.3%，但是界面電荷的傳輸仍然有待提高，其中引入量子點是比較主流的解決方案。
最近，復旦大學能源材料化學協同創新中心的王忠勝及鄭耿鋒教授（通訊作者）課題組通過在鈣鈦礦層空穴傳輸層之間引入MAPbBr3?xIx量子點來改善平面異質結鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能。通過調節Br和I的比例，可以調節價帶邊緣的位置，當MAPbBr3?xIx的價帶的邊緣位于MAPbI3和空穴傳輸層的HOMO能級之間時，空穴的傳輸將極大的改善，電池效率也將得到提高，最佳比例為CH3NH3PbBr0.9I2.1。
這項工作將激發鈣鈦礦太陽能電池界面調制的新方法。
6.ACS NANO：利用ZnTe光陰極和鈣鈦礦太陽能電池串聯制備人工光合作用器件
圖6. (a) 串聯電池結構示意圖. (b) 兩種物質的吸收光子圖. (c) 三種物質的光電轉換效率. (d) J?V曲線. (e) 3h內光電流、CO和H2產量變化. (f) 3h內CO和H2的法拉第效率
模仿自然的光合作用將CO2轉化為可用能源的方法近些年來獲得了極大的關注。該類能源的燃燒會產生大量CO2，人們希望直接用太陽能和水來進行能量轉化，而目前的光能轉化多是通過水分解轉化為H2。
最近，韓國浦項工科大學的Jae Sung Lee教授（通訊作者）以及韓國科學技術研究所Min Jae Ko教授（通訊作者）課題組將ZnO-ZnTe-CdTe三層納米棒陣列光陰極加入到鈣鈦礦太陽能電池中并串聯起來，光陰極位于前面可以高效地吸收高能（>2.14eV）光子，鈣鈦礦太陽能電池位于后面可以高效地吸收低能（>1.5eV）光子，該系統實現了太陽能-CO的能量轉化，轉化效率超過0.35%。
隨著效率進一步提升，這種串聯結構器件十分有希望成為人工光能轉化的里程碑式進展。
7. Advanced Energy Materials：改變三維結構設計出新的鈣鈦礦空穴傳輸層材料
圖7. a) 電池結構. b) 電池中各種物質的能級. c–f) 混合離子鈣鈦礦、spiro-OMeTAD、H11和H12的SEM表面形態圖
有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池近年來發展迅速，其中，空穴傳輸材料（HTM）和電子傳輸材料扮演了重要的角色，為了研究出廉價高效的空穴傳輸材料，人們嘗試使用了有機小分子、聚合物和無機鹽等多種材料，其中，有機小分子材料是研究的主流。
最近，瑞典烏普薩拉大學的M. J. Johansson、孫立成教授（通訊作者）課題組及瑞典化學科學與工程研究所的Anders Hagfeldt教授（通訊作者）課題組設計了兩種有機小分子材料H11和H12，H11用C-C鍵連接，H12用C=C鍵連接，取代了傳統HTM的spiro連接方式，改變了HTM的3維結構，降低了原子垂直排列的程度，得到了更為均勻的薄膜，其中H11材料具有高效的空穴傳輸性能。
因此，H11材料將有望成為傳統空穴傳輸材料Spiro-OMeTAD的替代材料。
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