钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展

有机-无机杂化的卤素钙钛矿材料在2009年首次应用在光伏器件中, 而后有关此类型太阳能电池的报道数量呈井喷式增长. 至2014年5月钙钛矿电池光电转化效率已接近20%, 已超过有机及染料敏化太阳能电池的效率, 且有望达到单晶硅太阳能的水平, 成为光伏发电领域中的希望之星. 在钙钛矿电池中, 电子传输材料与吸收层的电子选择性接触对提高光电转化效率起到重要作用, 尤其在正置结构器件中, 电子传输层的介观结构直接影响钙钛矿的生长情况. 同时, 电子传输层的化学性质及其界面也会对电池的稳定性和寿命产生影响. 本文总结了电子传输材料在该类电池中的研究现状和热点, 并按材料的化学组分不同, 将电子传输材料分为三类: 金属氧化物、有机小分子和复合材料, 详细地介绍了电子传输材料在钙钛矿太阳能电池中的作用和近来的最新进展.     

染料敏化太阳能电池二氧化锡光阳极表面原子层沉积氧化铝研究

染料敏化薄膜太阳能电池作为一种新型的太阳能电池吸引了世界范围内的研究。采用二氧化锡代替传统的二氧化钛作为染料敏化太阳能电池的光阳极,使用含有I-/I-3氧化还原电解对的液态电解质。同时,通过原子层沉积(ALD)法,在150℃下使用三甲基铝(TMA)和水作为前驱体和氧化剂沉积氧化铝。并研究了ALD超薄氧化铝包覆二氧化锡颗粒对染料敏化太阳能电池光电转换效率的影响。椭圆偏振仪(SE)分析结果表明ALD每周期沉积速率约为1.2。X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)的结果表明,超薄氧化铝包覆没有影响多孔二氧化锡纳米晶薄膜的晶体结构和表面形貌。紫外-可见光谱(UV-Vis)研究发现随着氧化铝的沉积周期数增加,染料敏化电池光阳极吸附染料的能力增加。最后,对ALD氧化铝对染料敏化太阳能电池性能的影响机理进行了探讨。     

基于石墨烯基电极染料敏化太阳能电池的研究进展

对近几年石墨烯基电极染料敏化太阳能电池的研究成果进行了追踪,分析了多种改性石墨烯电极应用于染料敏化太阳能电池后能量转换效率变化的原因,深入研究了改善石墨烯对电解质的还原电催化反应活性物理机理,为解决该电池存在的问题理清了思路,对该方向未来的研究工作给出了建议,探索和制备新材料以进一步打破石墨烯的层间堆叠是提高该电池性能的关键。     

基于石墨烯基电极染料敏化太阳能电池的研究进展

对近几年石墨烯基电极染料敏化太阳能电池的研究成果进行了追踪,分析了多种改性石墨烯电极应用于染料敏化太阳能电池后能量转换效率变化的原因,深入研究了改善石墨烯对电解质的还原电催化反应活性物理机理,为解决该电池存在的问题理清了思路,对该方向未来的研究工作给出了建议,探索和制备新材料以进一步打破石墨烯的层间堆叠是提高该电池性能的关键。     

固/液界面原位红外显微镜和步进扫描时间分辨FTIR反射光谱及其在纳米材料科学中的应用

结合红外显微镜和步进扫描FTIR光谱仪 ,发展了固 /液界面电化学原位显微镜红外反射光谱和步进扫描快速时间分辨FTIR反射光谱 ,并应用于纳米材料特殊性能和电化学反应动力学的研究。研制纳米结构Pt微电极 ,获得CO吸附的红外特征随纳米结构和纳米尺度变化的原位显微镜红外谱图。利用纳米结构Pt微电极的异常红外效应 ,显著提高电化学原位红外反射光谱的灵敏度 ,获得分辨率达 5 0 μs的步进扫描时间分辨光谱。不仅发展了固 /液界面显微镜原位红外反射光谱新方法 ,并且拓展了电化学原位红外反射光谱在纳米材料科学研究中的应用。     

染料敏化太阳能电池器件的研究进展

染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells,DSCs）作为一种新型的薄膜太阳能电池,是目前光伏电池领域的一个研究热点.文章首先介绍此类电池的基本结构、工作原理、影响电池性能的关键材料及其最新研究进展,而后重点分析了器件集成的设计模式,并对各种模式的研究进展与存在的问题进行了探讨.     

固体氧化物燃料电池模式阳极内传输与电化学反应耦合机理

模式电极因其结构可控、电化学/化学反应活性位和物质传输路径明确等优势,被广泛应用于固体氧化物燃料电池新型电极研究.现有研究多采用模式电极研究新材料电化学特性、表界面催化反应机理等,尚未涉及几何结构对其内部传输与电化学反应耦合机理的影响,限制了模式电极的应用.本文建立了固体氧化物燃料电池阳极内电荷传输与电化学反应过程的格子玻尔兹曼模拟方法,明确了控制电极过程的关键无量纲参数及其对电极性能的影响规律,研究了模式阳极几何结构的影响机理.根据电极性能对无量纲参数的敏感程度,绘制了指导模式阳极设计与运行的相图,指出相图过渡区(电极性能随操作参数显著变化区域)为进行反应机理研究的最佳操作参数取值范围.同时,研究发现模式阳极电子导体内电子的快速迁移虽不限制阳极性能,其几何结构显著影响过渡区范围;离子导体内离子迁移为影响阳极性能的限速步骤,但其几何结构几乎不影响过渡区范围.本文的数值方法与机理研究结果可为固体氧化物燃料电池模式电极的设计提供重要理论依据.     

氮掺杂石墨烯纳米片的制备及其电化学性能

以石墨片为原料,在氮气气氛下,通过机械针磨法制备了氮掺杂石墨烯纳米片.扫描电子显微镜和比表面积分析表明机械针磨过程可以有效地将大尺寸石墨片破碎成石墨烯纳米片.在石墨片的破碎过程中,会引起C—C键的破坏.因此,在破坏的边缘位置能够产生碳活性点.这些碳活性点可以与氮反应实现氮元素的掺杂.X射线光电子能谱分析表明碳活性点与氮反应使氮元素掺入石墨烯结构边缘,形成吡咯型氮和吡啶型氮.电化学阻抗谱分析表明所制备的氮掺杂石墨烯纳米片对I_3~-还原反应具有较高的电催化活性,循环伏安与恒流充放电测试表明氮掺杂石墨烯纳米片具有较好的电容性能.较高的比表面积和边缘氮掺杂结构是氮掺杂石墨烯纳米片具有优异电化学性能的主要原因.因此,氮掺杂石墨烯纳米片可以应用于染料敏化太阳能电池对电极和超级电容器电极.     

关于黄铁矿做太阳能电池材料可行性实验研究

本文通过对黄铁矿紫外、可见、近红外光谱的分析,获得黄铁矿对太阳光全光谱的吸收率数据。重点对染料敏化太阳能电池的光阴极进行了实验探究。本人制备了黄铁矿薄膜太阳能电池和以石墨为光阴极的太阳能电池,对各个薄膜形貌进行表征。最后,对各个电池的性能进行了测量比较。并预期在制备太阳电池时,它可能代替硅,而成为今后主要的光伏半导体材料。     

分步磁控溅射ZnO和/或功能化碳纳米粒子修饰ZnO电子传输层增强聚合物太阳能电池效率

氧化锌具有良好电子传输性和高透光性,ZnO作为电子传输层已被广泛应用于聚合物太阳能电池。但采用溶胶凝胶法和真空镀膜制备ZnO电子传输层,因ZnO界面具有大量缺陷,极大增加载流子复合。抑制ZnO界面复合电流和改善ZnO界面接触性能,是提高ZnO基电子传输层聚合物太阳能电池性能关键所在。基于P3HT:PCBM反转型聚合物太阳能电池,采用磁控溅射ZnO层,研究了离子液功能化碳纳米粒子(ILCNs)修饰层或Ar/O₂混合气体溅射沉积ZnO修饰层,以及Ar/O₂溅射ZnO界面层与ILCNs联合修饰ZnO界面的聚合物太阳能电池性能。纯Ar和Ar/O₂混合气体下一步溅射沉积ZnO电子传输层,其电池效率分别为2.2%和2.8%。经ILCNs修饰或Ar/O₂溅射ZnO修饰层,电池效率分别达到3.4%和3.1%,并且分步溅射ZnO层并联合ILCNs修饰ZnO界面,聚合物太阳能电池效率可提高到3.8%。ZnO修饰型聚合物太阳能电池克服了电化学阻抗负阻效应,降低了反向暗电流并显示出更好的整流特性。研究表明,采用ILCNs修饰ZnO层和分步溅射ZnO层能有效抑制ZnO界面缺陷和改善界面接触性能,而采用分步溅射ZnO层与ILCNs联合修饰ZnO界面,这种联合修饰ZnO界面方案,更能增强ZnO层电子传输和提取能力,是提高聚合物太阳能电池效率更为有效方案。     

Zinc oxide films and nanomaterials for photovoltaic applications

We provide an overview of ZnO applications in solar cells. ZnO (and ZnO‐based materials) can be used as electrodes and/or scattering/light trapping layers, as well as electron transport layers in solar cells based on nanoparticles and organic materials (polymer solar cells, dye‐sensitized solar cells). For each of these applications, we will briefly summarize common research directions, as well as existing problems and unresolved questions. (© 2014 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

二硫化钨纳米片制备及其钙钛矿太阳能电池空穴传输层应用

开发新型无机空穴传输层材料是钙钛矿电池实现商业应用的重要挑战之一。本文开展了二硫化钨纳米片制备及其钙钛矿太阳能电池空穴传输层应用研究。采用液相超声剥离法成功制备了WS 2纳米片,并将其引入钙钛矿太阳能电池中用作空穴传输层。结果表明,当WS 2纳米片溶液浓度为1 mg/mL时,制备的WS 2纳米片空穴传输层具有较合适的厚度,并且后续在其上生长的钙钛矿活性层成膜质量高、结晶性能好,电池取得6.3%的光电转换效率。结果证实WS 2纳米片可作为新型无机空穴传输层材料用于钙钛矿太阳能电池。     

Simulation of the ignition of liquid fuel with a local source of heating under conditions of fuel burnout

The processes of heat and mass transfer with phase transitions and chemical reactions in the ignition of liquid fuel by a local source of heating, a hot metal particle, under conditions of fuel burnout are studied. The influence of liquid fuel burnout on the ignition characteristics is analyzed, and the results of investigation of the extent of influence of this factor for solid and liquid condensed materials under conditions of local heating are compared.     

Fast dynamic holographic recording based on conductive ionic metal-alkanoate liquid crystals and smectic glasses

Recordings of dynamic holograms with microsecond relaxation times under the action of nanosecond laser pulses are obtained in composites on the base of a novel class of liquid crystals (LCs) in ionic metal-alkanoates. Holographic parameters and relaxation characteristics are measured for doped lyotropic ionic LC, for sandwichlike cells (consisting of a dye layer and a layer of the lyotropic ionic LC), and for colored ionic smectic glasses. The structure of the materials is investigated by use of the small-angle x-ray technique. The mechanism of resonance nonlinearity in photosensitive centers and mechanisms of the grating erasure connected with a charge transport in the ionic conductive LC matrix are discussed.     

Evaluation of solid electrolyte cells with a versatile electrochemical technique

Voltage losses in fuel cells and other solid electrolyte systems are due to several mass transport and kinetics processes at the electrode/electrolyte interface as well as to ohmic contributions from the electrolyte, electrodes, current collectors and contact resistances. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) has been in use for several decades in fuel cell research and is quite effective in determining the contribution of individual electrode and electrolyte processes. However, data acquisition and analysis can be time-consuming and the technique has many limitations whilst cell performance and operating conditions are varying rapidly with time especially when the cells are under current load. The galvanostatic current interruption (GCI) technique is fast and can be used under a wide range of operating as well as for rapidly varying loads and cell performance conditions. In this paper a totally new and very simple way of adapting commercially available equipment has been described to perform high quality, reliable and fast GCI measurements over a range of different currents in one sequence without having to use an electronic switch or a solid state relay or a separate fast data logging system. Its versatility has been demonstrated with a number of standard RC circuits simulating slow electrode and fast electrolyte processes and by evaluating a number of solid oxide fuel cell materials. The GCI technique has been shown to be able to determine the composition of all standard test circuits within ±1 % of those determined from the EIS technique and actual values of circuit components. The technique has been applied to investigating solid electrolyte cells and produced excellent results.     

新型碳材料在钙钛矿太阳电池中的应用研究进展

新型碳材料如石墨烯及其氧化物、碳纳米管、富勒烯及石墨炔等因其优异的热学、力学、电学、光学性能成为了钙钛矿太阳电池研究的又一亮点. 本文总结了新型碳材料在钙钛矿太阳电池对电极、电子传输材料及空穴传输材料中的研究进展, 新型碳材料的引入有效地提高了钙钛矿电池的性能, 为下一步新型碳材料的应用开发以及钙钛矿电池器件的研究提供了新的思路.     

Heat and mass transfer at ignition of liquid fuel droplets spreading over the surface of massive hot bodies

Processes of heat and mass transfer with phase transitions and chemical reactions at the ignition of a liquid fuel droplet colliding with the surface of a hot metal substrate are numerically investigated. The droplet ignition delay times are found. The scale of the influence of the temperature of the substrate, droplet, and oxidizer, and also the droplet size and spreading rate on the ignition inertia is determined. Conditions in which the liquid fuel droplet spread plays an important role in the ignition process are found.     

Electro-hydrodynamic fabrication of ZnO-based dye sensitized solar cells

The electro-hydrodynamic (EHD) technique has been successfully applied for manufacturing ZnO photoanode in dye sensitized solar cells (DSSCs). Porous structure of ZnO film after calcinations was beneficial to the absorption of dye and infiltration of electrolyte. By using ionic liquid as an electrolyte, a high short-circuit photocurrent density of 12.1 mA/cm² was attained and the overall photo-to-electric energy conversion efficiency (η) was 3.4% under an AM-1.5 illumination at 100 mW/cm². At the same time, the influence factors on the solar cell performance, such as the concentrations of polyvinyl alcohol (PVA) during EHD process and light intensity were discussed. PACS 81.07.Bc; 84.60.Jt; 81.15.Rs     

操作参数对PEM燃料电池中水迁移的影响

质子膜内水分和阴极多孔电极中液态水含量是PEM燃料电池正常运行的控制因素。本文给出了一个用于研究PEM燃料电池内水迁移的稳态、等温、两相流模型。模型耦合了连续方程、动量守恒方程和物质守恒方程,以及水在质子膜中传递方程。运用试验结果验证了模型的有效性。分析模拟结果表明,增大系统操作压力、升高电池操作温度和降低加湿温度将会使质子膜中水的净迁移通量增大;增大操作压力、降低操作温度和升高加湿温度会增加阴极CTL与GDL界面上液态水含量。