材料人盘点 | 2016年各类太阳能电池十大进展

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JACS: 四元量子点敏化太阳能电池突破11%

报道了一种环境友好型四元胶体量子点（ZnCuInSe 量子点），光吸收范围可以扩展到1000 nm。因量子点尺寸为4 nm，0.5 h内就可以使光阳极吸附足够的量子点。ZnCuInSe量子点敏化电池的平均效率高达11.66%，认证效率也达到11.61%。

图1. ZnCuInSe量子点的吸光范围曲线以及电池性能曲线(插图)

Jun Du, Xinhua Zhong, Li-Jun Wan，et al. Zn−Cu−In−Se Quantum Dot Solar Cells with a Certified Power Conversion Efficiency of 11.6%. (J. Am. Chem. Soc., 2016, DOI:10.1021/jacs.6b00615.)

2.

Nature Energy：绿色高效聚合物太阳能电池

报道了一种基于碳氢化合物的绿色、无毒溶液来制备有机太阳能电池的活性层，取代了以前的卤化溶剂。这种有机物的结构是一个有机物侧链，一个高温度依赖性的施主聚合物团聚体。该有机电池的光电转换效率为11.7%，比使用卤化溶剂的聚合物电池效率更高。同时，这种简单方法为有机电池的形貌调控提供了新的视角。

图2.（a）TMB, PN 和PffBT₄T-C₉C₁₃的化学结构；

（b）和（c）以TMB和TMB-PN为溶剂的电池的IV曲线和单色光转换效率曲线；

（d）二维GIWAXS 图；

（e）RSoXS 曲线

Jingbo Zhao, Yunke Li, Wei Ma He Yan, et al. Efficient organic solar cells processed from hydrocarbon solvents. (Nature Energy, 2016, DOI: 10.1038/NENERGY.2015.27.)

3.

Adv. Mater. 黑鳞与染料敏化电池的高效结合

提出了一种将黑磷量子点与光阴极结合的新思路，从而组装成双面吸光的准固态染料敏化太阳能电池。因黑磷量子点对近红外有较强的吸收能力，可以将电池的吸收范围扩展至红外，从而增加了电池的光生载流子浓度，使电池效率达6.85%，提高了20%。

图3. PANI和PANI/BPQDs作为光阴级的电池的（a）紫外-可见-红外吸收图谱；

（b）透过率光谱；

（c）IV曲线；

（d）电压、电流和填充因子随时间变化曲线

Ying Yang, Jing Gao, Zheng Zhang, Si Xiao, et al. Black Phosphorus Based Photocathodes in Wideband Bifacial Dye-Sensitized Solar Cells. (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602382.)

4.

Nat. Commun.  锂离子掺杂获得高效率、低滞后的钙钛矿电池

通过锂盐来处理介孔TiO₂，降低了界面缺陷，电子传输更快，同时部分诱导了TiO₂晶格中Ti⁴⁺还原成Ti³⁺，使光阳极表现出良好的电子性质。以这种锂离子掺杂的阳极膜制备的钙钛矿电池性能从17%提高了19%，并且滞后现象几乎消失（正反扫差别小于0.3%）。

图4.（a）钙钛矿电池的截面扫描图以及（b）正反扫IV性能曲线

Fabrizio Giordano, Anders Hagfeldt, Michael Graetzel, et al. Enhanced electronic properties in mesoporous TiO2 via lithium doping for high-efficiency perovskite solar cells. (Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms10379.)

5.

Energ Environ. Sci.  新型低价空穴传输材料获得高效固态染料敏化和钙钛矿电池

首次合成了可以和Sprio-OMe TAD 比拟的X60空穴传输层。这种材料只需要简单的两步合成，并且在固态染料敏化太阳能电池和钙钛矿电池上都取得了良好的效果，光电转化效率分别是7.3%和19.84%。

这种材料不仅制备简便，成本也远远低于Sprio-OMe TAD，为以后电池的工业化发展带来了曙光。

图5. （a）X60空穴传输材料的合成过程；

（b）染料电池和（c）钙钛矿电池正反扫IV以及暗电流曲线；

Bo Xu, Michael Gratzel, Lars Kloo, Anders Hagfeldt, Licheng Sun, et al. A Low-cost Spiro [fluorene-9,9′-xanthene]-based Hole Transport Material for Highly Efficient Solid-state Dye-sensitized Solar Cells and Perovskite Solar Cells. (Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6EE00056H.)

6.

Nature Energy: 大面积钙钛矿电池效率达18.21%

报道了一种钙钛矿电池的反型结构，并开发了利用界面修饰的途径来控制PCBM在钙钛矿层的分布，从而形成梯度异质结结构。这种结构是通过将富勒烯溶液滴到钙钛矿前驱体上制备得到。将显著提高钙钛矿的光伏性能，使大面积（1.022 cm²）器件的转换效率达18.21%，填充因子为78.4%。

同时，该结构的器件稳定性非常好，滞后现象较弱。

图6. （a）制备梯度异质结的原理图；

（b）钙钛矿电池截面扫面图；

（c）有无PCBM的钙钛矿膜的XRD图谱；

（d）I和S元素从膜顶部到底部的分布曲线；

（e）传统方法制备的平面结钙钛矿膜旋涂ThCBM的SIMS曲线

Yongzhen Wu, Ashraful Islam, Liyuan Han, et al. Perovskite solar cells with 18.21% efficiency and area over 1 cm2 fabricated by heterojunction engineering. (Nature Energy, 2016, DOI: 10.1038/NENERGY.2016.148.)

7.

Science：高效率、多组分钙钛矿电池

利用一步法制备钙钛矿电池，钙钛矿前驱体溶液是由FAI，PbI₂，MABr和PbBr2的多组分组成。研究发现PbI2的存在抑制了钙钛矿中的非辐射复合，增加钙钛矿与TiO₂之间的电子传输，从而使外量子效率增加了0.5%。这种器件的光电转化效率达20.8%，开路电压高达1.18 V。

这使得多组分方法制备钙钛矿电池有望达到理论的光电转换效率和开路电压。

图7. （a）效率最高电池的IV曲线以及截面扫面图（b）；不同扫速下的IV曲线（c）

Dongqin Bi, Wolfgang Tress, Michael Grätzel, Anders Hagfeldt, et al. Efficient luminescent solar cells based on tailored mixed-cation perovskites. (Science, 2016, DOI: 10.1126/sciadv.1501170.)

8.

Nature Mater.  高效率、高稳定性的PbS胶体量子点太阳能电池

介绍了一种新的配体交换CQD油墨的界面修饰方法，以卤化铅和醋酸铵作为配体前驱体，来取代量子点表面的油酸长链。这种配体交换可以实现平坦的带隙和高堆积密度，从而表现出更尖锐的能带尾和降低了能量汇集。这种胶体量子点电池具有11.28%的高转换率。同时发现，该电池在不封装的情况下，在空气中保存1000小时后仍然有很好的效率。

图8. 认证电池性能，（a）正反扫IV曲线；

（b）单色光装换效率；

（c）在空气和氮气气氛下电池的稳定性测试

Mengxia Liu, Aram Amassian, Edward H. Sargent, et al. Hybrid organic–inorganic inks flatten the energy landscape in colloidal quantum dot solids. (Nature Material, 2016, DOI: 10.1038/NMAT4800.)

9.

Nature Mater.  三元高效有机太阳能电池

开发了一种利用双小分子非富勒烯受体，分别与P3HT以及PCE10结合制备的三元共混太阳能电池。这种小分子可以实现与IDFBR和IDTBR的吸收互补，分别获得了7.7%以及11%的能量转换效率。另外还对器件的稳定性进行研究，发现空气黑暗下1200小时后，还能维持原有效率的80%，在空气下，持续光照90小时后，效率仍能维持在85%。该器件在大面积（1 cm²）情况下，效率仍能到6.5%，这为有机太阳能电池的工业化应用又迈进一步。

图9. （a）给体和受体的化学结构；

（b）三元共混太阳能电池的能带分布图；

（c）给体和受体材料的归一化吸收曲线；

（d）60PCBM，FBR，IDFBR 和IDTBR的吸收系数

Derya Baran, Raja Shahid Ashraf, Iain McCulloch, et al. Reducing the efficiency stability–cost gap of organic photovoltaics with highly efficient and stable small molecule acceptor ternary solar cells. (Nature Materials, 2016, DOI: 10.1038/NMAT4797.)

10.

Science :大面积钙钛矿电池突破20.5%

通过真空闪蒸溶液处理的方法制备出了大面积（1 cm²）钙钛矿电池，最高效率达到20.5%，认证效率也已达19.6%。通过真空闪蒸辅助溶液处理得到了较传统工艺更为光滑平整的钙钛矿薄膜。这种方法制备的电池性能远远高于目前同等面积大小的钙钛矿电池效率（15.6%），为钙钛矿的工业化应用提供了刚多可能。

图 10. 闪蒸法制备钙钛矿薄膜以及钙钛矿电池结构及截面图

Xiong Li, Dongqin Bi, Michael Grätzel et al. A vacuum flash–assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. (Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf8060.)（见下方“阅读原文”）

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