金属有机框架在染料敏化太阳能电池中的应用

为了获得高效率的染料敏化太阳能电池,其光阳极应该具有大的比表面积,以吸附足量的染料,获得很强的光捕获能力.从这个角度而言,将具有很大比表面积的金属有机框架材料引入到染料敏化太阳能电池的体系中,无疑是一种有益的探索.本文简介了金属有机框架材料在光伏领域的应用,并重点介绍了我们课题组在利用金属有机框架材料方面进行的一些探索,包括光阳极薄膜的处理、利用金属有机框架材料作为前驱体制备光阳极材料和光散射层.最后,本文对金属有机框架材料应用于染料敏化太阳能电池中的局限性及前景做了简要的展望.     

带有噻吩侧基的有机硼小分子电子受体光伏材料

有机小分子电子受体材料的侧基能够影响异质结有机太阳能电池的给体/受体匹配和器件性能。我们设计并合成了一个硼原子带有噻吩侧基的有机硼小分子(MBN-Th)。该分子的LUMO离域在整个骨架上,HOMO定域在中心核上,其独特的电子结构使该分子具有两个强的吸收峰(波长分别为490和726nm),因此分子具有宽的吸收光谱和强的太阳光吸收能力。与苯基侧基相比,噻吩侧基使分子的HOMO能级下移0.1 eV,LUMO能级保持不变,进而引起分子带隙减小和吸收光谱蓝移20nm。基于该有机硼小分子受体材料的异质结有机太阳能电池,实现了4.21%的能量转化效率和300–850nm的宽响应光谱。实验结果表明,硼原子上的噻吩侧基是调控有机硼小分子光电性质的有效方法,可以用于有机硼小分子受体材料的设计。     

Fe/Cu修饰氮掺杂碳纳米管的构筑及催化性能

通过简单的原位化学合成法结合离子交换法制备了Cu修饰氮掺杂碳（Cu-N-C）和Fe/Cu修饰氮掺杂碳纳米管（Fe/Cu-N-C/CNT）,并系统评估了2种催化剂作为染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells,DSSCs）对电极在I₃^-/I^-体系中的电化学特性和光伏性能。采用X射线衍射（XRD）、拉曼（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）和场发射扫描电镜（FESEM）对合成的催化剂进行组分和形貌表征。结果表明：纳米管状的Fe/Cu-N-C/CNT的石墨化程度比纳米颗粒状的Cu-N-C更高,更有利于I₃^-还原反应中电荷的传输。光伏性能测试结果表明：基于Fe/Cu-N-C/CNT对电极的DSSCs的光电能量转换效率（power conversion efficiency,PCE）达到7.55%,高于相同测试条件下Cu-N-C（6.99%）和Pt（6.76%）对电极的PCE。50圈连续循环伏安测试结果表明：Fe/Cu-N-C/CNT催化剂具有比Cu-N-C更好的电化学稳定性。     

聚3-己基噻吩：非富勒烯太阳能电池中的量子效率损失和电压损失

聚3-己基噻吩(P3HT)以其合成工艺简单、成本低廉的优势,成为有机光伏领域中最具吸引力的电子给体材料之一。然而,目前P3HT: 非富勒烯太阳能电池的光伏性能仍然较差。在本工作中,我们证明了与P3HT: 富勒烯太阳能电池相比,较快的电荷转移态的非辐射衰减速率(K_nr)是导致P3HT: 非富勒烯太阳能电池中较低的量子效率和较高的电压损失的原因。然后,我们研究了基于非富勒烯受体ZY-4Cl的太阳能电池的工作机理。研究结果表明与P3HT: 非富勒烯体系相比,P3HT: ZY-4Cl中K_nr的降低改善了器件的量子效率,同时降低了电压损失。K_nr降低的原因可以部分归因于电荷转移态能量的增加。此外,给体分子和受体分子之间的距离(DA间距)的增大也是K_nr减少的重要原因。因此,我们得出结论：为了提高P3HT太阳能电池的性能,需进一步降低器件的K_nr,这可通过增加活性层中的DA间距来实现。     

钙钛矿光伏电池封装材料与工艺研究进展

钙钛矿太阳能电池作为第3代新概念太阳能电池,具有高光电转换效率、低成本和可柔性加工等优点,近年来发展迅速,其光电转换效率从一开始的3.8%增长到近期的25.5%,逐渐比肩硅电池,已接近商业化应用水平。目前,实现钙钛矿太阳能电池产业应用的关键环节在于电池封装,它不仅可以解决钙钛矿光伏器件稳定性问题,还可以实现电池安全、环保和延长使用寿命等要求。结合近十几年来钙钛矿光伏电池封装材料和封装工艺两方面的发展现状,文中介绍了钙钛矿电池封装领域取得的成果和存在的不足,讨论了目前现有封装技术的优缺点,以及它们适用的不同器件类型。着重在不同温度湿度条件下,比较了不同封装材料性能、封装工艺条件对钙钛矿电池效率及稳定性的影响,归纳出影响钙钛矿电池薄膜封装效果的3个关键因素： 聚合物的弹性模量、水蒸气透过率、加工温度。比较了不同聚合物薄膜封装材料适宜的加工温度、优缺点及加工成本。可以看出,随着钙钛矿光伏电池工业化需求的强烈增长和人们对其封装材料研究的不断深入,研究适合大面积生产和光伏建筑一体化的新型功能聚合物封装材料将是必然趋势。     

非富勒烯受体DA'D型稠环单元的结构修饰及电池性能研究

近年来,设计和合成高性能非富勒烯受体(NFAs)材料已经成为太阳能电池研究领域的前沿课题。基于DA'D型稠环结构的NFAs由于具有吸光系数高、能级和带隙可调、结构易于修饰、分子可高效合成、光电学性能优异等优点而受到了越来越广泛的关注。在短短7年的时间里,能量转换效率(PCE)从3%~4%提高到18%。2019年初邹应萍等报道了一个优秀的受体分子Y6,与PM6共混制备单结电池,获得了15.7%的能量转换效率。Y6类受体材料的中心给电子单元为DA'D型稠环结构,缺电子单元(A')通过氮原子与两个给电子单元(D)并联形成稠环结构,这有助于降低前线分子轨道能级并增强吸收,同时与氮相连的两个烷基链和位于噻吩并噻吩β位的两个侧链则有助于提高溶解度及调节结晶性。自Y6问世以来,人们对分子的结构剪裁进行了深入的研究,并报道了数十种新的结构。在这些新的受体中,DA'D部分的结构裁剪对提高器件效率和太阳能电池的性能起着至关重要的作用。本文对A'、D单元和侧链结构修饰的研究进展进行了综述。通过选择几组受体,对最近报道的分子进行分类,并将它们的光学、电化学、电学和光电性质与精确的结构修饰相关联,从而对结构-性能关系进行全面概述。     

钙钛矿太阳能电池的商业化进展与挑战

钙钛矿太阳电池是一项颠覆性的光伏技术,具有能量转化效率高、生产成本低、制备工艺简单等优势。当前,钙钛矿太阳能电池的认证效率已达25.7%,但其面临着严重的商业化瓶颈,如稳定性差、模组效率相对低、铅毒性等,且这些问题相互关联。本文简述了钙钛矿太阳能电池的工作原理和器件结构,并归纳总结了在解决钙钛矿太阳能电池稳定性、封装和模组化等商业化瓶颈问题方面的主要研究进展。最后,本文提出了钙钛矿光伏商业化进程中值得关注的解决措施。     

铜锌锡硫硒太阳能电池Mo/CZTSSe界面调控研究进展

Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4太阳能电池制备过程中Mo基底硒(硫)化反应产生较厚的Mo(Sx,Se1-x)2,以及SnS(e)与ZnS(e)的生成与挥发在Mo/CZTSSe界面处产生的孔洞,是限制器件性能提升的重要原因.针对这些问题,总结了Mo(Sx,Se1-x)2和孔洞的生成原因及其对器件性能的影响.此外,还综...     

溶剂工程调控钙钛矿薄膜中PbI2和PbI2(DMSO)的形成(英文)

钙钛矿太阳能电池以其高效、低成本的特点备受关注。到目前为止,钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已经超过25%,显示出良好的应用前景。钙钛矿薄膜的结晶性能是决定器件性能的关键,因此,调控钙钛矿薄膜的生长过程至关重要。本工作中,我们发现通过简单调节前驱体溶剂,即调节二甲基亚砜：1,4-丁内酯:N,N-二甲基甲酰胺(DMSO:GBL:DMF)的三种混合溶剂的比例,可实现钙钛矿薄膜中PbI₂和PbI₂(DMSO)含量的调节,从而调节电池的器件性能。此外,本工作系统研究了PbI₂和PbI₂(DMSO)的含量对器件性能的影响。结果表明,PbI₂(DMSO)的形成会导致300–425nm波长范围内电池的外量子效率(EQE)降低,从而导致器件性能下降。相反,通过在前驱体溶液中添加额外的碘化亚甲基铵(MAI),可以抑制PbI₂和PbI₂(DMSO)的形成。     

紫外光辐照下CH3NH3PbI3基钙钛矿太阳能电池失效机制

随着光伏产业的不断发展,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研发成为科学与工业界广泛关注的焦点。到目前为止,其光电转换效率已经提高到了25.2%,成为替代硅基太阳能电池的核心方案之一。然而,钙钛矿太阳能电池的稳定性较差,容易受到环境中氧气、水分、温度甚至光照的影响,这严重制约了其大规模推广与应用。大量科学研究表明,如何避免紫外辐照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的性能衰减,对于提高钙钛矿太阳能电池的光照稳定性至关重要。然而到目前为止,仍然没有系统的工作来对紫外辐照下钙钛矿太阳能电池性能以及微结构演化过程进行详细的表征与分析。本文中,我们利用聚焦离子束-扫描电子显微分析(FIB-SEM)以及球差校正透射电子显微分析(TEM)等技术,全面地研究了紫外辐照过程中有机无机杂化钙钛矿太阳能电池性能变化规律以及电池微结构演化特征。实验结果表明,紫外辐照过程中太阳能电池内部会形成0.5–0.6 V的内建电场,钙钛矿中的I^-离子在电场的驱动下向金属Au电极和空穴传输层2, 2’, 7, 7’-四[N, N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9, 9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)一侧迁移;随后,空穴传输层与金电极的界面处,碘离子与光生空穴一起与金电极发生反应,将金属态Au氧化成离子态Au⁺。而Au⁺离子则在内建电场的驱动下反向迁移穿过钙钛矿MAPbI₃层,直接被SnO₂和MAPbI₃界面处的电子还原形成金属Au纳米团簇。除此之外,紫外辐照过程中钙钛矿太阳能电池性能降低的同时,往往伴随着Spiro-OMeTAD与钙钛矿界面处物质迁移、钙钛矿薄膜内晶界展宽以及Au纳米颗粒周围MAPbI₃物相分解等现象。以上各种因素的协同作用,共同导致了紫外光照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池光电转换性能(PCE)、开路电压(V_oc)以及短路电流(J_sc)等性能参数的急剧下降。