材料基因组工程研究院王生浩课题组与合作者连续在《Small》刊发高效率太阳能电池的最新研究成果

发布时间:2023-03-16投稿:吕涛浏览次数:

大力发展可再生清洁能源是解决目前传统化石能源短缺和未来能源危机的重要举措,也是未来人来可持续发展的必经之路、是实现“ 碳达峰、碳中和”的重要手段。太阳能电池是利用材料的吸光特性将光能(可见光和/或红外光)转化为电能的一类材料,主要有硅基太阳能电池和薄膜类太阳能电池。前者已商业化,但目前出现了效率瓶颈和成本高的问题,而薄膜类太阳能电池由于具有材料用料少、可弯折、轻便、成本低、稳定等的特性,在未来的能源领域展现出巨大的应用潜力(下图1)。

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图1.太阳光光谱图和光伏发电图示。

有机薄膜太阳能电池具有低成本、可溶液加工、柔性等优势,是未来柔性电子和智能穿戴领域极具潜力的电源供应者。近日,王生浩&徐韬课题组创新性地提出了一种新型可溶液加工的、基于Nb2C MXene二维材料的空穴传输层(PEDOT:PSS-Nb2C)材料,通过精细控制形貌,器件效率得到了大幅度的提升。电学、形貌、化学组成表征结果表明Nb2C MXene可以提升PEDOT:PSS薄膜的导电性并促进相分离,从而提升活性层的空穴传输速率、电荷提取能力以及降低器件的界面电阻。此外,PEDOT:PSS-Nb2C传输层材料被拓展应用于基于不同非富勒烯体系的器件中,证明了其在提升有机薄膜太阳能电池器件性能上的普适性。该研究在未来民用(如智能穿戴)和军用领域(在特殊环境下为电子元器件提供高功率密度比的电能)均有重要的意义。上海大学为本文第一署名单位,中欧学院研究生邓宝中为论文第一作者,材料基因组工程研究院的王生浩教授、中欧学院的徐韬副教授和上海高压科学与技术先进研究中心(上海-张江)的董洪亮研究员为论文的共同通讯作者,材料基因组工程研究院的王子涵高级实验师为本工作测试了高质量高分辨透射电镜照片,上海大学为本文第一署名单位,中欧学院研究生邓宝中为论文第一作者。

图2.(a)Nb2CMXene的TEM图.(b)Nb2CMXene的高分辨率TEM图(嵌图为SAED选区电子衍射图).(c)PEDOT:PSS-Nb2C复合空穴传输层材料的高分辨TEM 图.(d)Nb2C促进PEDOT:PSS相分离的机理示意图.(e)基于PEDOT:PSS-Nb2C复合HTL的OSCs器件结构图.(f)三元OSCs的PCE随Nb2C掺杂浓度的性能分布图.(g)基于二维材料的单结OSCs性能比较图。

与有机薄膜太阳能电池相比,无机薄膜太阳能电池具有稳定、效率高的特点,即在外界使用环境下,受到水分、氧气、温度等外界环境的影响较小,因此使用寿命长,是家庭屋顶发电、严苛环境下(如沙漠)光伏电站、分布式光伏发电重要的组成部分。其中铜锌锡硫(Cu2ZnSn(S,Se)4,即CZTS))太阳能电池具有吸光范围可调、稳定、成本低廉的显著优点,成为近年来在无机薄膜太阳能电池中研究的重点类型的太阳能电池。但目前面临的问题是效率仅为Si电池的约一半,在效率提升方面还需要大量的研究工作。近日,南开大学与上海大学合作,利用低温光致发光谱揭示了后退火微环境(SnSe2蒸气环境下两步退火法)对电池界面缺陷以及非辐射复合的影响,从而为进一步提升CZTS太阳能电池的效率提供了重要的理论依据和支撑,为未来该类材料在光伏发电、光伏建筑一体会应用领域提供了更大的可能性。南开大学张毅教授、敖建平教授和我校材料基因组工程研究院的王生浩教授为论文的共同通讯作者。

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 图3.(a,b)温度变化的光致发光谱和(c)室温下的不同样品的载流子寿命谱.

文章链接:

Baozhong Deng, Hong Lian, Baotong Xue, Ruichen Song, Shi Chen, Zihan Wang, Tao Xu*, Hongliang Dong*, Shenghao Wang*. Niobium-Carbide MXene Modified Hybrid Hole Transport Layer Enabling High-Performance Organic Solar Cells Over 19%. SMALL,2023,DOI:10.1002/smll.202207505.

Jiajia Guo, Yang Mao, Jianping Ao*, Yanchen Han, Chun Cao, Fangfang Liu, Jinlian Bi, Shenghao Wang*, Yi Zhang*. Microenvironment Created by SnSe2 Vapor and Pre-Selenization to Stabilize the Surface and Back Contact in Kesterite Solar Cells.SMALL, 2022, doi: 10.1002/smll.202203354.