大连理工大学化工学院在高效低成本新型光伏技术领域取得重要突破

时间:2021-12-24 10:06来源:大连理工大学作者:wuping 点击:
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摘要:作为第三代新兴光伏技术,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)近10年来能量转换效率突飞猛进,经国际权威机构认证的效率高达25.5%,已接近单晶硅太阳能电池(26.7%)。凭借成本低廉、制备工艺相对简单、可柔性化、弱光可发电等诸多优点,PSCs在光伏领域展现出了巨大应用前景,其发展受到各国学者和产业界的广泛关注。当前,PSCs长期稳定性以及贵金属电极材料产生的成

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作为第三代新兴光伏技术,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)近10年来能量转换效率突飞猛进,经国际权威机构认证的效率高达25.5%,已接近单晶硅太阳能电池(26.7%)。凭借成本低廉、制备工艺相对简单、可柔性化、弱光可发电等诸多优点,PSCs在光伏领域展现出了巨大应用前景,其发展受到各国学者和产业界的广泛关注。当前,PSCs长期稳定性以及贵金属电极材料产生的成本问题仍然是阻碍PSCs大规模应用的主要障碍。PSCs目前广泛使用的Au/Ag等贵金属电极除了价格昂贵外,还存在易与钙钛矿中的卤素离子发生化学反应、进而被腐蚀的问题,降低了电池的长期稳定性。以廉价的碳电极取代贵金属电极是提升PSCs稳定性并降低成本的有效策略,然而由于界面接触、能级失配和电荷传输动力学迟缓等问题,碳基PSCs能量转换效率一直处于相对较低的水平(绝大多数都不超过18%)。如何提升碳基PSCs能量转换效率,是本领域亟待破解的难题之一。图1 Ti1-rGO的制备示意图及其形貌结构表征近日,我校化工学院化学系史彦涛教授团队联合瑞士洛桑联邦理工Michael Grätzel教授团队及东南大学电子科学与工程学院朱超研究员,创新性地利用碳基负载金属单原子电极材料Ti1/rGO,并结合一种更为先进的器件结构,有效调控了碳基C-PSCs光生载流子界面转移/传输动力学,大幅减少了能量损失。以此为基础制备的新型碳基PSCs能量转换效率高达21.6%,远高于本领域先前报道器件性能(绝大多数<18%)。更加可喜的是,未封装器件在25℃和60℃分别连续照射工作1300 h(氮气保护,1 sun)后,能量转换效率依然保持初始值的98%和95%,展现出了优异的稳定性。图2 Ti1-rGO基C-PSCs的光电特性及稳定性本项研究为进一步推进PSCs产业化提供了重要思路,其创新之处在于,首次将结构明确的单原子材料(SAMs)应用于全固态光电器件领域。研究结果表明,当单原子Ti通过特定化学结构负载于还原氧化石墨烯(rGO)时,rGO的电子结构发生显著变化,引起费米能级下降和功函数增大,使得Ti1/rGO与空穴传输层的能级更加匹配,有利于界面电荷转移。其意义在于,不仅发展了一种调控碳材料电学特性的先进方法,同时深化了对碳材料化学结构与电学性能之间构-效关系的理解,更加拓展了SAMs的应用领域。其次,本项研究中所采用的器件结构为叠合式碳基PSCs,是一种可实现模块化制备和组装的新型光伏器件,能够完全不依赖真空沉积技术,且可以使用廉价的电极材料,大幅降低了光伏器件设备和材料成本。更重要的是,这种新型器件结构实现了光生电荷纵向提取和横向传输过程的解耦,从根本上解决了传统碳基PSCs器件电荷转移动力学能量损失过大的问题。研究成果以“Ti1–graphene single-atom material for improved energy level alignment in perovskite solar cells”为题发表于能源领域知名期刊Nature Energy。该研究工作由校内外多个课题组共同完成,我校为第一作者和第一通讯单位,我校博士生张春阳为共同一作(排名第一)。本项研究的参与单位包括洛桑联邦理工学院、东南大学、香港科技大学、厦门大学、中科院大连化学物理研究所。本项研究获得了国家自然科学基金、“兴辽英才计划”项目、大连市科技创新基金、辽宁省中央引导地方科技发展资金等资助。原文链接:https://www.nature.com/articles/s41560-021-00944-0
【光粒网综合报道】( 责任编辑:wuping )
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