太阳能电池的新进展

太阳能电池的研究、开发和利用 ,倍受世界各国政府所重视。在科学前沿一系列重大发现和“新思维、新科学、新技术”的推动下 ,太阳能电池得到了迅速发展 ,它的开发和利用可为人类提供清洁 (绿色 )的能源 ,对促进人类社会的文明与进步具有重要的意义。     

太阳能电池的新进展

太阳能电池的研究、开发和利用，倍受世界各国政府所重视。在科学前沿一系列重大发现和“新思维、新科学、新技术”的推动下，太阳能电池得到了迅速发展，它的开发和利用可为人类提供清洁（绿色）的能源，对促进人类社会的文明与进步具有重要的意义。     

单元素二维材料及其衍生物作为电荷传输层在太阳能电池中应用的研究进展

随着环境污染的日益严重和能源危机的不断加剧, 新能源的开发和利用逐渐成为研究的重点. 在各种已开发的绿色能源技术中, 光伏发电是一种非常有前景的技术. 尽管传统硅基太阳能电池已取得长足进步, 但其性价比与传统能源相比仍有差距. 因此, 开发低成本高效太阳能电池迫在眉睫, 但新型太阳能电池的应用仍受到稳定性差与效率较低的双重考验. 在前期研究基础上, 人们将化学和物理性能优异的单元素二维材料及其衍生物作为电荷传输层引入太阳能电池中, 在改善电池稳定性及提升效率方面取得了积极的效果. 本文综合评述了纳米级单元素二维材料及其衍生物作为太阳能电池电荷传输层的相关研究进展. 这些单元素材料的引入使得所研究的太阳能电池效率得到了显著的提高, 同时也证明该类型电荷传输层的构建为满足现代社会能源需求提供了新技术平台. 文章最后讨论了单元素二维材料在太阳能电池中应用面临的关键挑战和发展前景.     

聚合物太阳能电池材料的研究进展

随着能源短缺和环境污染两大问题日益加重,人们对太阳能开发与利用更加深入。在众多太阳能的利用方式中,太阳能电池被认为是最有前途的。然而无机太阳能电池因其本身缺陷而受到限制。聚合物太阳能电池由于其成本低、质量轻、合成与修饰容易等优点成为太阳能电池研究的热点。近年来,该类太阳能电池的光电转换效率已经超过8%。本文简要介绍了聚合物太阳能电池的基本原理,并从开路电压、短路电流和填充因子等方面着重分析了其材料的设计原则,最后对其未来发展前景作出了展望。     

全固态介观太阳能电池:从染料敏化到钙钛矿

介观太阳能电池(Mesoscopic Solar Cells)作为新一代太阳能电池的突出代表, 具有原材料来源丰富, 制备工艺简单, 光电转换效率高等优点, 从而具有广阔的应用前景. 本工作简要评述了全固态介观太阳能电池从染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells)发展到钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells)过程中新材料、新技术和新概念的研究进展. 1998年, Grätzel课题组首次将固态有机空穴传输材料spiro-OMeTAD应用到染料敏化太阳能电池中, 制备出全固态染料敏化太阳能电池, 虽然仅获得了0.74%的光电转换效率, 但是却使得全固态染料敏化太阳能电池迅速发展成为介观太阳能电池的重要研究方向. 2012年, Park与Grätzel课题组合作, 使用钙钛矿型吸光材料(CH₃NH₃)PbI₃作为敏化剂, spiro-OMeTAD作为空穴收集层, 制备出光电转换效率达到9.7%的全固态介观太阳能电池, 又被称为钙钛矿太阳能电池. 自此, 基于钙钛矿材料的介观太阳能电池迅速成为太阳能电池领域的研究热点. 目前, 钙钛矿太阳能电池的最高公证效率已经达到20.1%. 钙钛矿太阳能电池作为介观太阳能电池商业化道路上里程碑式的突破, 在材料开发、界面优化以及器件稳定性方面的研究仍充满挑战, 也期待新的突破.     

反式钙钛矿太阳能电池研究进展

反式结构的钙钛矿太阳能电池由于其稳定性好、迟滞效应低等优点越来越受到人们的关注. 自2013年出现以来, 其光电转换效率从最初3.9%快速提升至21.5%. 然而, 反式钙钛矿太阳能电池的光电转化效率相比于传统正置结构钙钛矿太阳能电池依然存在差距, 同时其柔性及空气稳定性和大面积制备技术的开发仍是当前急需亟待解决的难题. 本文就反式钙钛矿太阳能电池载流子传输材料的选择、界面优化及柔性器件的发展等方面进行了系统的综述, 试图总结由结构和材料优化实现反式钙钛矿太阳能电池的高效率、高稳定性、大面积及柔性制备的普遍规律.     

聚合物太阳能电池阴极修饰层研究进展

聚合物太阳能电池以其质量轻、成本低、制备工艺简单等优点成为清洁能源利用的研究热点.近年来聚合物太阳能电池光电转换效率逐步提高,单结聚合物太阳能电池的光电转换效率已超过11%,其中器件的界面修饰层成为影响器件光伏性能的重要因素.本文总结了聚合物太阳能电池阴极修饰层的研究进展,分别从无机材料和有机材料两方面介绍了常用的阴极修饰层材料.无机材料包括金属氧化物、金属和金属化合物等,有机材料包括聚合物、富勒烯衍生物以及n-型有机半导体材料等.本文还从阴极修饰层的电学特性、光学特性、能级位置、表面形貌、界面接触等方面讨论了其对聚合物太阳能电池光伏性能的影响,展望了聚合物太阳能电池的发展前景.     

宽光谱太阳能电池

太阳能电池的光谱响应特性和光电转换效率与光伏材料的微观能带结构及其宏观组装方式密切相关。无论使用哪种光伏材料,普通单结或单层太阳能电池都只能对部分波段的太阳光进行有效利用。宽光谱研究的目标是要使太阳能电池更好地利用太阳光谱所覆盖的全部波段范围的能量,从而提高太阳能电池光电转换效率。本文从化学角度综述了实现宽光谱太阳能电池的基本方法和当前的研究进展,其中包括叠层太阳能电池、中间带太阳能电池、量子点太阳能电池、热光伏太阳能电池、上转换和下转换、分子基柔性太阳能电池等方法。     

基于二酮基吡咯并吡咯的π-共轭分子的有机太阳能电池给体材料的设计与理论研究

本文设计了系列基于二酮基吡咯并吡咯(DPP)的有机小分子太阳能电池(OSCs)给体材料.设计的分子结构中，2个DPP分子片段作为2个端基通过不同的芳香杂环π-桥相连接.利用密度泛函理论和含时密度泛函理论方法研究了所设计化合物的电子和光学性质.研究结果表明，在分子中引入不同的π-桥可以有效调节设计分子的前线分子轨道能量、能隙和吸收光谱，但是对几何结构影响很小.所设计化合物1-8均在近红外光谱区具有强吸收和窄能隙，这有利于提高有机太阳能电池的短路电流和光吸收效率.前线分子轨道分析发现，化合物1-8具有较低的最高占据轨道能级，可提高有机太阳能电池的开路电压.化合物1-3,5和7的前线分子轨道能级与典型富勒烯受体材料相匹配，可选用PCBM,bisPCBM和PC₇₁BM作为受体材料；而化合物4,6和8则应考虑选用其他的太阳能电池受体材料.结果表明，所设计的分子可作为性能优良的OSCs给体材料，为开发和利用太阳能电池给体材料提供理论依据.     

卟啉/酞菁配合物修饰钙钛矿太阳能电池研究

为解决资源短缺和环境污染问题,太阳能电池应用研究引起了广泛的科学关注。在过去的十年间,钙钛矿太阳能电池作为一种新型的电池技术得到了快速发展,逐渐成为目前商业化硅基太阳能电池最有力的竞争对手之一。然而,钙钛矿薄膜在低温溶液制备过程中不可避免地形成缺陷,这些缺陷是严重制约钙钛矿太阳能电池光电转化效率与长期运行稳定性得到进一步提高的主要因素。利用功能化有机分子钝化钙钛矿薄膜表面及晶界处缺陷是提升电池性能及稳定性的有效手段。卟啉/酞菁金属配合物具有良好的稳定性和优异的光电特性,利用卟啉/酞菁金属配合物修饰钙钛矿薄膜是提高钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的有效方法之一。本文综述了卟啉/酞菁金属配合物界面调控实现高效稳定钙钛矿太阳能电池组装的研究进展,并对其存在的问题及今后可能的发展方向进行了总结与展望。     

苝二酰亚胺聚合物受体设计及在全聚合物太阳能电池中的应用

二元或多元聚合物组成的本体异质结具备高度稳定的微相分离形貌,带来潜在的器件寿命和稳定性方面的巨大优势,全聚合物活性层器件因而成为有机太阳能电池的重要发展方向和研究内容.本文系统介绍近年来苝二酰亚胺类聚合物受体的研究进展,以及将这类聚合物受体应用于全聚合物太阳能电池所取得的重要成果.通过多种不同共聚单元结构的设计和筛选、主链和侧链化学结构的调控和优化,获得了一系列性能优越的苝二酰亚胺聚合物受体,这些材料的运用大幅度地提升了全聚合物太阳能电池的能量转化效率.相关的研究数据和结果也为后续酰亚胺类聚合物受体的设计开发、全聚合物本体异质结活性层的形貌特征和光电转化机制的分析和研究,以及全聚合物太阳能电池器件性能的优化和提升提供了良好的实验基础.     

《光电化学及新型太阳能电池》专辑序言

众所周知,能源与环境是当今人类面临的最大难题和挑战,随着世界能源需求的急剧攀升,传统化石资源的不断耗竭,全球温室效应和环境污染的压力日趋严重,发展各种可再生绿色能源成为当今世界最主要的共性问题和研究热点. 太阳能光电转化技术被认为是一种最有希望真正解决未来社会可再生能源和洁净环境问题的先进技术. 太阳可为人类提供取之不尽、用之不竭的巨大能源宝库,每年照射到地球的太阳能量高达174000TW,换言之,只要能以10%效率转化0.1%到达地球表面的太阳能,即可满足全球的能源需求. 当前国际上最热点研究的新型太阳能电池包括染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池及钙钛矿太阳能电池等,这些新型太阳能电池的研究近年来取得了长足的进步,世界上每年发表相关论文超过10000篇,其中中国学者在太阳能光电化学理论、光电转化器件设计、电极材料、有机半导体光伏材料、电解质系统、有机及钙钛矿太阳能电池电极界面修饰层材料等方面开展了大量卓有特色的工作,为推进各种新型太阳能电池的进步和应用做出不菲的贡献. 光电化学是一门研究光与电化学相互作用的交叉学科,是太阳能高效利用中光-电转化和光能-化学能转化的核心理论基础. 自上世纪70年代以来,光电化学理论得到不断发展和完善,为当今蓬勃发展的各种新型太阳能电池和光催化制氢等提供了强有力的理论指导. 然而,随着纳米科技、材料科学及半导体物理等现代科技的飞速发展和多学科深入研究,诸多新型太阳能体系研究的新现象和复杂性仍未能得到圆满解析. 仍亟需进一步从微观水平认识太阳能电化学电池及光电催化的反应本质,发展原位表征和超快时间分辨技术研究光生电子的传输、复合及界面反应等规律及定量关系,为人们设计高光电转化效率的电化学太阳能电池、推进商品化应用提供理论指导. 本专辑围绕光电化学及新型太阳能电池专题,收录了在相关研究领域具有丰富积累和影响的团队所撰写的9篇相关研究进展的综述文章和研究论文,部分反映了我国在新型太阳能电池结构设计、合成方法和性能研究方面的研究进展.希望借助该专刊的出版,能使广大读者更深入地了解我国在新型太阳能电池领域的研究现状、研究趋势和存在的问题及挑战,推动我国光电化学及新型太阳能电池研究的进一步发展. 在此,对本专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的卓有成效的工作和付出表示衷心的感谢！     

有机物/硅杂化太阳能电池的研究进展

有机/无机杂化太阳能电池既可以兼容无机材料的高稳定性, 高载流子迁移率和成熟的制备工艺, 又可以利用有机材料分子结构的可塑性, 调节光谱吸收以及光学带隙, 以及简便的溶液制作过程, 具有取得高效率低成本太阳能电池的巨大潜力. 硅和有机物在低温下形成的异质结光伏电池吸引了广泛的研究, 目前最高光电转换效率已经达到13.8%. 而采用硅纳米线等纳米结构之后使在几十微米的低纯硅上制备高效太阳能电池成为可能, 柔性硅基底的杂化太阳能电池效率已经超过12%. 本文首先介绍了硅基杂化太阳能电池的结构、工作机理和使用的有机材料, 按硅的结构分为平面硅基和微纳结构硅基杂化太阳能电池, 重点概述了该类电池最近几年的发展状况, 分析了硅的结构、有机材料和制备工艺对器件性能的影响. 最后对众多研究方法进行了归纳总结, 对存在的问题和解决策略提出了展望.     

大面积有机太阳能电池的研究进展

近年来,有机太阳能电池发展十分迅速,小面积器件的光电转化率已经突破19%,然而大面积器件的研究远远滞后.深入研究有机光伏大面积器件中的关键基础问题、开发大面积印刷制备方法,对推动有机太阳能电池的工业化应用具有重要意义,是未来有机太阳能电池的发展的热点和难点方向.相较于小面积器件,大面积器件对活性层材料的膜厚容忍度、透明电极的电阻、器件的加工方式等都有较高的要求,如何制备高效、稳定的刚性/柔性大面积器件仍是一个挑战.本综述着眼于刚性基底与柔性基底大面积器件中使用的材料、器件的涂布工艺、阳极/阴极传输层及电极材料的开发等方面,系统总结了近年来领域内的代表成果,并对未来高性能大面积有机太阳能器件的发展进行了展望.     

高效率钙钛矿型太阳能电池的化学稳定性及其研究进展

近几年来, 钙钛矿太阳能电池器件光电转换效率的最高纪录不断被刷新, 但是关于钙钛矿太阳能电池稳定性的研究报道比较缺乏. 钙钛矿太阳能电池稳定性问题已经成为制约钙钛矿太阳能电池继续发展的瓶颈. 简要讨论了水氧气氛、温度变化、湿法制备、紫外光照等不同敏感环境条件下钙钛矿太阳能电池的化学稳定性问题, 进而对一定环境条件下钙钛矿太阳能电池的化学稳定性及其调控的研究现状进行了综述, 旨在更好地理解钙钛矿太阳能电池稳定性的基础理论问题, 为实现钙钛矿太阳能电池稳定性的调控提供基本依据.     

染料敏化太阳能电池用敏化剂

染料敏化太阳能电池是太阳能电池的重要发展方向之一,染料敏化剂是影响电池光电转换效率的重要组分,也一直是太阳能电池材料的研究热点.经过20多年的研究,现已开发的光敏染料主要有金属配合物染料和纯有机染料两大类.本文依据染料结构特征,将金属配合物染料分为钌的多吡啶配合物、其它金属(如Os、Pt)的多吡啶配合物、卟啉及酞菁类配...     

高机械稳定性的柔性钙钛矿太阳能电池的研究进展

柔性钙钛矿太阳能电池是当前最高效的柔性光伏技术之一,应用前景广阔.但器件的机械稳定性制约了其综合稳定性及安全可靠性.本文综合评述了近年来国内外研究团队围绕提升柔性钙钛矿太阳能电池机械性能的研究进展,从柔性基底优化、新型柔性透明电极开发、晶粒调控、晶界改性、界面工程等不同角度分析总结了柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性的优化...     

电解水演示实验的创新设计

设计了一个全新的电解水演示实验,将太阳能电池、电解水制氢、氢氧燃料电池一体化构成一个整体的演示实验,可以帮助学生系统了解与氢相关联的储能用能技术和基于氢的洁净能源的开发和应用,激发学生利用化学知识服务于国家绿色发展理念的使命担当。     

苯并噻二唑类有机太阳能电池材料研究进展

苯并噻二唑结构单元被广泛用来构建高光电转换效率的有机太阳能电池材料.从聚合物太阳能电池、有机小分子太阳能电池以及染料敏化太阳能电池三个方面系统地综述了近年来含苯并噻二唑基团的有机太阳能电池材料的研究进展,并对其发展趋势和应用前景做了展望.     

有机太阳能电池材料研究新进展

介绍了有机太阳能电池研究的背景、基本原理、分类,并对有机太阳能电池材料进行了全面综述,包括小分子太阳能电池材料、大分子太阳能电池材料、D-A体系材料和有机无机杂化体系材料.