材料人盤點:2016年各類太陽能電池十大進展

shuiniuniu 7年前 (2017-01-18) 6992瀏覽

1. JACS: 四元量子點敏化太陽能電池突破11%

報道了一種環境友好型四元膠體量子點（ZnCuInSe 量子點），光吸收范圍可以擴展到1000 nm。因量子點尺寸為4 nm，0.5 h內就可以使光陽極吸附足夠的量子點。ZnCuInSe量子點敏化電池的平均效率高達11.66%，認證效率也達到11.61%。

圖1. ZnCuInSe量子點的吸光范圍曲線以及電池性能曲線(插圖)

Jun Du, Xinhua Zhong, Li-Jun Wan，et al. Zn?Cu?In?Se Quantum Dot Solar Cells with a Certified Power Conversion Efficiency of 11.6%. (J. Am. Chem. Soc., 2016,?DOI:10.1021/jacs.6b00615.)

2.Nature Energy：綠色高效聚合物太陽能電池

報道了一種基于碳氫化合物的綠色、無毒溶液來制備有機太陽能電池的活性層，取代了以前的鹵化溶劑。這種有機物的結構是一個有機物側鏈，一個高溫度依賴性的施主聚合物團聚體。該有機電池的光電轉換效率為11.7%，比使用鹵化溶劑的聚合物電池效率更高。同時，這種簡單方法為有機電池的形貌調控提供了新的視角。

圖2.（a）TMB, PN 和PffBT4T-C₉C₁₃的化學結構；（b）和（c）以TMB和TMB-PN為溶劑的電池的IV曲線和單色光轉換效率曲線；（d）二維GIWAXS 圖；（e）RSoXS 曲線

Jingbo Zhao, Yunke Li, Wei Ma He Yan, et al. Efficient organic solar cells processed from hydrocarbon solvents.?(Nature Energy, 2016, DOI: 10.1038/NENERGY.2015.27.)

3.Adv. Mater: 黑鱗與染料敏化電池的高效結合

提出了一種將黑磷量子點與光陰極結合的新思路，從而組裝成雙面吸光的準固態染料敏化太陽能電池。因黑磷量子點對近紅外有較強的吸收能力，可以將電池的吸收范圍擴展至紅外，從而增加了電池的光生載流子濃度，使電池效率達6.85%，提高了20%。

圖3. PANI和PANI/BPQDs作為光陰級的電池的（a）紫外-可見-紅外吸收圖譜；（b）透過率光譜；（c）IV曲線；（d）電壓、電流和填充因子隨時間變化曲線

Ying Yang, Jing Gao, Zheng Zhang, Si Xiao, et al. Black Phosphorus Based Photocathodes in Wideband Bifacial Dye-Sensitized Solar Cells. (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602382.)

4.Nat. Commun. : 鋰離子摻雜獲得高效率、低滯后的鈣鈦礦電池

通過鋰鹽來處理介孔TiO₂，降低了界面缺陷，電子傳輸更快，同時部分誘導了TiO₂晶格中Ti⁴⁺還原成Ti³⁺，使光陽極表現出良好的電子性質。以這種鋰離子摻雜的陽極膜制備的鈣鈦礦電池性能從17%提高了19%，并且滯后現象幾乎消失（正反掃差別小于0.3%）。

圖4.（a）鈣鈦礦電池的截面掃描圖以及（b）正反掃IV性能曲線

Fabrizio Giordano, Anders Hagfeldt, Michael Graetzel, et al. Enhanced electronic properties in mesoporous TiO₂ via lithium doping for high-efficiency perovskite solar cells. (Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms10379.)

5.Energ Environ. Sci.: 新型低價空穴傳輸材料獲得高效固態染料敏化和鈣鈦礦電池

首次合成了可以和Sprio-OMe TAD 比擬的X60空穴傳輸層。這種材料只需要簡單的兩步合成，并且在固態染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦電池上都取得了良好的效果，光電轉化效率分別是7.3%和19.84%。

這種材料不僅制備簡便，成本也遠遠低于Sprio-OMe TAD，為以后電池的工業化發展帶來了曙光。

圖5. （a）X60空穴傳輸材料的合成過程；（b）染料電池和（c）鈣鈦礦電池正反掃IV以及暗電流曲線；

Bo Xu, Michael Gratzel, Lars Kloo, Anders Hagfeldt, Licheng Sun, et al. A Low-cost Spiro [fluorene-9,9′-xanthene]-based Hole Transport Material for Highly Efficient Solid-state Dye-sensitized Solar Cells and Perovskite Solar Cells. (Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6EE00056H.)

6.Nature Energy: 大面積鈣鈦礦電池效率達18.21%

報道了一種鈣鈦礦電池的反型結構，并開發了利用界面修飾的途徑來控制PCBM在鈣鈦礦層的分布，從而形成梯度異質結結構。這種結構是通過將富勒烯溶液滴到鈣鈦礦前驅體上制備得到。將顯著提高鈣鈦礦的光伏性能，使大面積（1.022 cm²）器件的轉換效率達18.21%，填充因子為78.4%。

同時，該結構的器件穩定性非常好，滯后現象較弱。

圖6. （a）制備梯度異質結的原理圖；（b）鈣鈦礦電池截面掃面圖；（c）有無PCBM的鈣鈦礦膜的XRD圖譜；（d）I和S元素從膜頂部到底部的分布曲線；（e）傳統方法制備的平面結鈣鈦礦膜旋涂ThCBM的SIMS曲線

Yongzhen Wu, Ashraful Islam, Liyuan Han, et al. Perovskite solar cells with 18.21% efficiency and area over 1 cm² fabricated by heterojunction engineering.?(Nature Energy, 2016, DOI: 10.1038/NENERGY.2016.148.)

7.Science：高效率、多組分鈣鈦礦電池

利用一步法制備鈣鈦礦電池，鈣鈦礦前驅體溶液是由FAI，PbI₂，MABr和PbBr₂的多組分組成。研究發現PbI₂的存在抑制了鈣鈦礦中的非輻射復合，增加鈣鈦礦與TiO₂之間的電子傳輸，從而使外量子效率增加了0.5%。這種器件的光電轉化效率達20.8%，開路電壓高達1.18?V。

這使得多組分方法制備鈣鈦礦電池有望達到理論的光電轉換效率和開路電壓。

圖7. （a）效率最高電池的IV曲線以及截面掃面圖（b）；不同掃速下的IV曲線（c）

Dongqin Bi, Wolfgang Tress, Michael Gr?tzel, Anders Hagfeldt, et al. Efficient luminescent solar cells based on tailored mixed-cation perovskites.?(Science, 2016, DOI: 10.1126/sciadv.1501170.)

8.Nature Mater. : 高效率、高穩定性的PbS膠體量子點太陽能電池

介紹了一種新的配體交換CQD油墨的界面修飾方法，以鹵化鉛和醋酸銨作為配體前驅體，來取代量子點表面的油酸長鏈。這種配體交換可以實現平坦的帶隙和高堆積密度，從而表現出更尖銳的能帶尾和降低了能量匯集。這種膠體量子點電池具有11.28%的高轉換率。同時發現，該電池在不封裝的情況下，在空氣中保存1000小時后仍然有很好的效率。

圖8. 認證電池性能，（a）正反掃IV曲線；（b）單色光裝換效率；（c）在空氣和氮氣氣氛下電池的穩定性測試

Mengxia Liu, Aram Amassian, Edward H. Sargent, et al. Hybrid organic–inorganic inks flatten the energy landscape in colloidal quantum dot solids. (Nature Material, 2016, DOI: 10.1038/NMAT4800.)

9.Nature Mater. : 三元高效有機太陽能電池

開發了一種利用雙小分子非富勒烯受體，分別與P3HT以及PCE10結合制備的三元共混太陽能電池。這種小分子可以實現與IDFBR和IDTBR的吸收互補，分別獲得了7.7%以及11%的能量轉換效率。另外還對器件的穩定性進行研究，發現空氣黑暗下1200小時后，還能維持原有效率的80%，在空氣下，持續光照90小時后，效率仍能維持在85%。該器件在大面積（1 cm²）情況下，效率仍能到6.5%，這為有機太陽能電池的工業化應用又邁進一步。