【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第二十期 俄材料科学家提出了一种基于杂化钙钛矿太阳能电池膜的新方法；钙钛矿材料改进一小步，薄膜太阳能电池性能提升一大步【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第二十期 俄材料科学家提出了一种基于杂化钙钛矿太阳能电池膜的新方法；钙钛矿材料改进一小步，薄膜太阳能电池性能提升一大步；效率提高至18.40%！大连化物所等柔性钙钛矿太阳能电池研究取得新进展；日本科学家开发出制备OPV电池及其层间缓层的新技术；Nature子刊：未来太阳能电池材料—硫化物黄锌矿创两项能效世界纪录； 低光强照射光电转换效率更高 新型玻璃薄膜既发电又隔热 2018-07-30 张江发展战略研究院 采编 | Paul 微信 ID | rdryaobd 微信| （ID： 技术洞察 俄材料科学家提出了一种基于杂化钙钛矿太阳能电池膜的新方法
文章来自phys网站，原文题目为Materials scientists propose a novel approach for obtaining films for solar cells，由材料科技在线汇总整理。 钙钛矿材料改进一小步，薄膜太阳能电池性能提升一大步
如图所示：研究人员用来测试钙钛矿性能的后反射器表面。每个象限是不同的表面材料，其分别为：金，钛，钯或二氧化硅化合物，钙钛矿材料将沉积在其上用于实验测试。图片来源：华盛顿大学 太阳能电池是从太阳光中吸收光子并将其能量转换为移动电子的装置，这样不仅能够产生清洁能源，还可以提供一条可靠的途径来帮助人们应对气候变化。但是今天广泛使用的大多数太阳能电池都是厚厚的，易碎的和坚硬的，这限制了它们在平坦表面上的应用并且增加了制造太阳能电池的成本。 “薄膜太阳能电池”可以是一张纸厚度的1/100，并且足够灵活，其可以使从空气动力学汽车到服装的各种表面变得更光滑。为了制造薄膜太阳能电池，科学家们正在试图超越经典的半导体化合物材料，如砷化镓或硅。转而用其他可能更廉价，更容易大规模生产的捕光化合物取代之。如果这些化合物的性能可以与今天的技术那样表现良好，它们就可以被广泛用来生产。 今年春天的时候，华盛顿大学的科学家们在“Nature Photonics”杂志发表的一篇论文中报道：原型半导体薄膜在发光方面的表现甚至超过了当今最好的太阳能电池材料。 “这听起来可能很奇怪——太阳能电池可以吸收光线并将其转化为电能，但是最好的太阳能电池材料也能很好地发光，”该论文的共同作者兼华盛顿大学化学工程教授Hugh Hillhouse说道，他同时也是华盛顿大学清洁能源研究所和分子工程与科学研究所的一名教员。实际上，通常太阳能电池发光的效率越高，它们产生的电压就越大。” 华盛顿大学的团队通过“表面钝化”的工艺在这种材料上（名为卤化铅—钙钛矿）取得了创纪录的性能，这种“表面钝化”的工艺可以处理瑕疵并降低材料吸收光子最终被浪费而不是转化为有用能量的可能性。 “钙钛矿型太阳能电池的一个大问题是：过多的吸收阳光最终会导致热能的浪费，而不是转化为有用电。”文章的联合作者David Ginger说，（他是华盛顿大学化学教授兼CEI首席科学家）“我们希望像这样的表面钝化策略将有助于提高钙钛矿型太阳能电池的性能和稳定性。” 在Ginger和Hillhouse团队的共同努力下，证明了钙钛矿的表面钝化能够使性能大幅提升，使这种材料成为薄膜太阳能电池的最佳选择之一。他们尝试使用各种化学品进行表面钝化，最终找到一种名为TOPO的有机化合物，这种化合物将钙钛矿的性能提升到了接近最佳砷化镓半导体材料的水平。 “我们在华盛顿大学的团队是第一个发现钙钛矿材料表面性能限制缺陷的团队之一，现在我们很高兴能够发现一种用TOPO分子进行这些表面化学工程改造的有效方法，”本文的共同作者兼麻省理工学院的博士后研究员Dane deQuilettes说。他在华盛顿大学攻读化学博士生期间参与了这项研究。“起初，我们很惊讶地发现，钝化材料似乎与砷化镓一样好，因为砷化镓保持了太阳能电池效率的最高记录。因此，为了再次验证我们的结果，我们设计了几种不同的方法来确认钙钛矿材料质量的改善。 DeQuilettes和论文的共同作者——化学工程博士生Ian Braly进行了这项研究，结果表明TOPO处理钙钛矿半导体会显著影响其内部和外部光致发光量子效率，其可用于确定半导体材料有多好的指标利用吸收的光子的能量而不是将其作为热量丢失。TOPO处理的钙钛矿的内部光致发光量子效率由9.4％增加到了接近92％，效率提高了约十倍。 “我们的测量观察了钝化后的钙钛矿吸收和发光的效率，结果表明，没有固有的材料缺陷阻碍太阳能电池的进一步改进。”Braly说。“此外，通过将发射光谱拟合成一个理论模型，我们发现这些材料可以产生的电压为理论最大值的97％，相当于世界纪录的砷化镓太阳能电池，远远高于仅达到84％的电压记录的硅电池。” 从理论上讲，这些材料质量的改善可以使得在常规日照水平下太阳能电池的光—电功率转换效率达到27.9％，这将推动钙钛矿基的光伏记录超过最好的硅器件。 研究人员表示，钙钛矿的下一步计划是演示一种与易于制造的电极兼容的类似的化学钝化，并对其他类型的表面钝化进行实验。 DeQuilettes说：“钙钛矿已经在光伏器件方面取得了前所未有的成功，但还有很大的改进空间。在这里，我们认为我们为社会提供了一种更好地利用太阳能的方法。” 原文来自phys.原文题目：Researchers boost performance quality of perovskites，由材料科技在线团队翻译整理。 效率提高至18.40%！大连化物所等柔性钙钛矿太阳能电池研究取得新进展 近日，中国科学院大连化学物理研究所薄膜硅太阳电池研究组（DNL1606）研究员刘生忠和陕西师范大学研究员杨栋、博士冯江山等在柔性钙钛矿太阳能电池研究方面取得新进展。相关结果发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。 柔性太阳能电池由于具有质量轻、便携带、易于运输、安装简单等优点备受关注。高性能柔性钙钛矿太阳能电池的关键部分是低温界面层和高质量钙钛矿吸光层。该团队前期通过开发低温界面层，在柔性钙钛矿电池中取得了一系列成果：2015年，利用室温磁控溅射法沉积氧化钛界面层，制备的柔性钙钛矿电池效率达到15.07%（Energy Environ. Sci.）；2016年，首次将离子液体作为界面层应用到柔性钙钛矿电池中，将柔性钙钛矿电池效率进一步提升到16.09%（Adv. Mater.）。 最近，该团队运用二甲硫醚作为添加剂，通过控制钙钛矿吸光层的结晶过程，得到晶粒尺寸较大、结晶性较好、以及缺陷态密度较低的钙钛矿薄膜，将柔性钙钛矿太阳能电池的效率提高到18.40%，同时将大面积（1.2cm2）柔性钙钛矿太阳能电池的效率提升到13.35%。另外，利用添加剂制备的钙钛矿吸光层稳定性得到显著增加，在35%的湿度下放置60天，电池的效率仍能保持86%的原有效率，而无添加剂制备的钙钛矿太阳能电池效率相同条件下仅可保持原有效率的50%。此项研究成果是目前柔性钙钛矿电池的最高效率，为柔性钙钛矿太阳能电池的发展奠定了实验和理论基础。 该研究工作得到国家重点研究与发展计划、中央高校基础研究基金、国家自然科学基金项目、111项目、国家大学科研基金、长江学者创新团队、国家“千人计划”项目的资助。
大连化物所等柔性钙钛矿太阳能电池研究取得新进展 日本科学家开发出制备OPV电池及其层间缓层的新技术
有机光伏太阳能电池和电池结构示意图。光照射和黑暗条件下的电流密度电压（JV）特性。 图片来源：大阪大学 随着近年来环境和能源问题日益严重，光伏（PV）电池作为一种新能源而受到关注。然而，由于硅PV电池的成本仍然很高，因此降低PV电池的成本非常重要。 另一方面，使用有机化合物的有机光伏（OPV）电池具有几个优点：重量轻、灵活、复杂，并且生产成本低。由于这些原因，它们被认为是下一代光伏电池。 至于OPV电池的发展，除了吸收光的有机半导体外，（1）OPV电池的缓冲层材料（缓冲层或OPV中间层，其有效地分离由光能产生的电子和空穴并将电子和空穴传输到每个电极）和（2）OPV器件的设计也正积极地研究。在这些情况下，最受关注的技术之一是旋涂技术，即使用溶液产生锌相关氧化物（ZnOx，ZnOHx）超薄膜（陶瓷膜）。 科学家们正在积极研究使用ZnO薄膜作为缓冲层的OPV电池。因为在传统的ZnO薄膜生产工艺中，需要通过高温加热或替代能量辐照的烧结工艺。 来自大阪大学(Osaka University)和金泽大学(Kanazawa University)的联合研究小组共同开发了一种涂覆锌氧化物（ZnOx，ZnOHx）的技术，即在环境温度和压力下使用金属有机分解（MOD）方法在溶液工艺中沉积薄膜，无需加热处理。他们还证明，通过该技术生产的薄膜可用作OPV电池的缓冲层，并且该薄膜实现了与通过涉及烧结的常规方法生产的ZnO薄膜相当的功率转换效率（PCE）。他们的研究成果发表在“Scientific Reports”上。 文章作者之一Tohru Sugahara说“我们通过不加热的混合溶液涂覆方法成功地形成了纳米级氧化物超薄膜。” 这种超薄膜的厚度可以控制在5-100纳米的范围内。研究人员利用这种薄膜制造技术制备出了OPV电池，在使用约20nm的超薄膜下实现了最高的PCE。这种技术不需要在ZnO薄膜的形成过程中加热，将能够大大降低生产工艺和成本。 原文来自phys，原文题目为Technique to fabricate ceramic films for OPV inter-layers，由材料科技在线团队翻译整理。 Nature子刊：未来太阳能电池材料—硫化物黄锌矿创两项能效世界纪录
Xiaojing Hao博士及其团队在过去两年中打破了四项效率记录 图片来源：新南威尔士大学 新南威尔士大学的太阳能研究所研究员Xiaojing Hao博士及其团队已经开发出未来的太阳能电池材料—硫化物黄锌矿获得了两项能效世界纪录。 Hao博士和她的团队不仅突破了硫化物锌黄锡矿的10%效率壁垒，还突破了标准尺寸的锌黄锡矿太阳能电池的10%效率壁垒，无论是纯硫化物材料还是掺入不太理想的硒金属材料。 这项成果发表在今天的《Nature Energy》中的一篇论文中，是由Hao 博士领导的小组在两年内实现的第四个连续的效率记录。 Hao博士说，虽然能源效率还没有达到可用于工业化的水平，但结果是有希望获得储量丰富、价格低廉的材料。她说：“硫化物锌黄铁矿是一种由铜、锌、锡和硫组成的化合物，这四种元素在地壳中储量丰富而且廉价。”“我称它们为绿色材料，因为它们不仅储量丰富，而且无毒。” 硫化物锌黄铁矿(Cu2ZnSnS4，也称为CZTS)是由光伏材料CIGS(铜铟镓（DI）硒化物)衍生的薄膜半导体材料，它是一种商业化的高效光伏薄膜，具有可应用于柔性表面的附加功能。 然而，CIGS的缺点是铟存量稀少，但是在平板显示器(如电视屏幕、笔记本屏幕和触摸屏)中使用的需求很高，造就了它高昂的价格。太阳能电池面临的挑战之一是依赖稀有和有毒材料用于薄膜太阳能电池生产。 Hao博士说：“铟的价格已经很高了，由于平板显示器的市场正在增长，预计它会继续上涨。”在CZTS化合物中用丰富的锌和锡取代铟和镓可以得到一种低成本、灵活、无毒、丰富的化合物。 “除此之外，作为独立的光伏薄膜， CZTS相关材料当与其他元素合金化时，其带隙可以在很宽的范围内轻松调谐，这种特性使其用于硅基的串联电池，成为可能，这与串联堆叠的上部电池的高带隙要求非常匹配。”Hao 博士解释道。 “这种发展的关键前提是我们需要把CZTS的效率提高到20%以上，才能实现总能源效率超过30%，”Hao博士说。 使用硫化物锌黄锡矿的另一个优点是，CIGS的制造工艺很容易适应生产CZTS。加上薄膜可以应用于柔性表面这一事实，使其成为一种有吸引力的选择。“柔性光伏电池重量轻，扩展了其在建筑方面的一体化和其他不平坦表面(如汽车或无人驾驶飞行器(UAV))上的潜在用途。”CZTS价格便宜，来源丰富，灵活，无毒，并且易于集成到现有的制造工艺中。缺点是达不到商业上使用的材料所需的能效水平。 考虑到在过去的几年里效率从7.6%增至11%，Hao博士认为她和她的团队正在使效率水平达到15或20%的正确的轨道上。但是她并没有幻想它会在一夜之间发生。Hao博士说：“对于每一个效率的变化，我们需要一个逐步改变的技术来实现它。”“对CZTS来说，还有很多我们不知道的事情。揭开这些未知数是最令人兴奋的冒险。” 她对最近未公布的发现感到非常兴奋，这可能会带来重大的变化。为了确保这些新发现得到进一步发展，她将在年底申请一项新项目的资金。 文章来自techxplore网站，原文题目为Team lands new efficiency breakthrough for emerging solar cell material，由材料科技在线团队整理编辑。 低光强照射光电转换效率更高 新型玻璃薄膜既发电又隔热 近日，华南理工大学教授叶轩立团队联合教授黄飞团队开发出一种同时具备发电和隔热效果的半透明薄膜太阳电池。这类电池薄膜不仅具有高效的光电转换效率，而且其隔热效果也极为优异。研究显示，这种同时具备发电和隔热效果的太阳能电池薄膜理论上可使住户节省超过五成的用电量，有望大幅提升家庭用电的能效水平。相关研究近期已发表在美国《焦耳》杂志上。
该团队创新性地选择了一类吸收边延伸至900纳米的窄带隙非富勒烯受体作为在光吸收层中捕获近红外光的关键组分。近红外光子的吸收不仅可使太阳电池产生额外的光电流，同时也赋予此电池器件隔热功能。 另外，超薄金属银电极也对红外光具有反射作用，可帮助重新反射部分近红外光回到吸光层，进一步增强器件的光电转换效率及隔热效果。为了尽可能多地吸收利用近红外光，还可在银电极后添加光学调控层。 华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室教授叶轩立说，他们将有机光伏材料制成半透明、轻质的膜，使玻璃成为发电机和热绝缘体。这种薄膜的隔热率可在75%到90%的范围内调节，与市场中优质的太阳隔热膜水平相当。 团队通过使用高折射系数材料和低折射系数材料交替沉积，形成光学调控微腔，可在保持整体器件可见光透过率不变的条件下，进一步降低红外光透过率，从而再次增强太阳电池器件薄膜的隔热效果。 此外，在低光强照射下，这种薄膜的光电转换效率反而更高，因此还有望利用夜晚的室内灯光产生可观电能。研究人员说，这种功能材料还处于开发初期，但有望为有机光伏材料的应用开辟新空间。 关于张江发展战略研究院 上海张江发展战略研究院是张江国家自主创新示范区的智库和智囊。主要承担了5项工作： 1 2 3 4 5
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