钙钛矿太阳能电池国际战略规划及发展态势分析

本文全面调研了美国、欧盟、日本及我国在钙钛矿太阳能电池领域的战略规划和项目部署情况,并基于权威机构认证数据,总结了钙钛矿太阳能电池研究最新进展,比较了各国技术实力。研究发现,各国都重视钙钛矿太阳能电池这一新兴技术,积极部署基础研究并推动其实用化和产业化;钙钛矿太阳能电池研究单元效率已突破23%,稳定性和大规模制备技术不断提高;我国在基础研究方面已经后来居上,创造了研究单元效率纪录,但在大规模印刷制备技术方面与美、欧、日等国家或地区还有一定差距。基于此,本文对我国发展钙钛矿太阳能电池以及钙钛矿材料提出了三点建议。     

钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望

2013年6月以来,一种基于有机/无机复合钙钛矿材料的全新太阳能电池引起人们的极大关注,相关工作被期刊Science评为2013年度国际十大科技进展之一.这种新型全固态平面型太阳能电池已经展现出大于15%的高转换效率、液/气相等简单制备工艺和极低的加工成本等优点,极有可能在短期内把转换效率提高到20%以上,呈现出一片光明的前景,有可能对整个太阳能科学与技术行业以及人类经济和社会生活产生巨大的影响.本文结合我们最近的初步研究工作,就有机卤化物钙钛矿电池的发展历程、工作原理、制备工艺等几方面的代表性研究成果做了系统性总结,尤其是就目前有待解决的关键科学问题、未来发展方向等进行了讨论和展望,点明了可能采取的技术路径,有助于我国研究者抓住机遇,迅速跟上国际上太阳能电池与材料研究的前进步伐,为中国的绿色清洁能源的发展与生存环境的改善做出应有的贡献.     

不同直径ZnO纳米锥阵列的可控合成及其发光特性

通过锌片与3mol/L丁胺水溶液在100～180℃水热反应12h直接在锌片上原位生长出ZnO纳米锥阵列.利用X射线衍射、拉曼光谱、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对产物进行了表征和分析.结果表明,所制备的ZnO纳米锥为六方纤锌矿结构,生长方向为[0001].通过反应温度的改变制备出了不同直径ZnO纳米锥组成的阵列.研究了ZnO纳米锥的生长过程,提出了可能的生长机理,解释了所观察到的实验现象.研究了ZnO纳米锥阵列的光致发光特性,观察到了分别起源于自由激子发射和激子-激子碰撞的396和377nm的紫外光发光峰和2-E2声子复制.     

不同方法制备的Pt对电极染料敏化太阳能电池的光电性能研究

采用磁控溅射（sputtering）、高温热分解（high-temp）H2Pt Cl6·6H2O溶液和低温化学还原（low-temp）H2Pt Cl6·6H2O溶液等方法在FTO导电基片上制备了三类不同的Pt对电极,通过改变磁控溅射时间或旋涂退火循环次数,对FTO上不同对电极的载Pt量进行了调节.分析了三种不同方法制备的对电极的晶相结构、表面形貌以及透光率等特性.基于纳米管阵列和不同条件制备的对电极组装了系列染料敏化太阳能电池.测量了正照射和背照射条件下的电池光电性能,并分析了制备方法对对电极微结构和形貌的影响,以及对组装电池光电性能的影响,并对其各自的适用性和优缺点进行了比较分析.     

TiO_2纳米阵列的制备、表面修饰及其在钙钛矿太阳电池中的应用

一维TiO_2纳米阵列具有直接的电子传输通道,在太阳电池中作为电子传导材料引起了广泛的关注.以水热法制备的金红石相TiO_2纳米阵列作为有机无机杂化钙钛矿太阳电池电子传导支架,系统研究了TiO_2致密层引入对纳米阵列生长和组装器件光电性能的影响;考察了TiO_2纳米棒棒长和TiCl_4水浴处理等对纳米阵列微结构和组装电池光电性能的影响.致密层的引入有利于获得垂直取向TiO_2纳米阵列,纳米棒棒长的优化有利于光生载流子的快速分离和传导,而采用TiCl_4水浴处理TiO_2纳米阵列,不仅增大了纳米阵列的比表面积,有利于吸附更多的钙钛矿晶体和提升电池对光的俘获,同时TiCl_4水浴处理产生的小纳米颗粒有助于填补钙钛矿晶体与纳米阵列间的缝隙,促进更好的界面接触,从而抑制载流子传导过程中的复合,提升电池性能.在引入TiO_2致密层后,进一步采用0.1 mol/L TiCl_4处理的TiO_2纳米阵列组装的电池展现最优的光电性能,其短路电流密度、开路电压、填充因子分别达到22.88 mA/cm~2,1.04 V和63.58%,电池的能量转化效率达到15.11%.     

非晶金刚石纳米棒阵列制备及其场发射性能

采用磁过滤等离子体结合氧化铝模板技术制备了具有优异场发射性能的非晶金刚石纳米棒阵列膜. 显微分析表明, 阵列棒分布均匀, 棒密度达10⁹ cm^–2. 场发射性能测试表明, 其最低阈值电场为0.16 V/μm, 在2 V/μm较低电场值下可获得最大电流密度180 mA/cm², 并且发射电流在长时间内非常稳定. 利用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(IR)和场发射测试装置等手段对样品的形貌、内部结构以及场发射性能进行表征. 初步探讨了非晶金刚石纳米棒阵列场发射机理.     

ZnO基透明导电膜研究热点与发展趋势分析

在简要论述Zn O基透明导电膜发展现状基础上,重点讨论近年来Zn O薄膜的最新研究热点,包括在提高迁移率和载流子浓度、功函数、光学特性及表面形貌调控、湿热稳定性、柔性导电膜及超薄高性能薄膜制备等方面的最新研究动态.同时,分析了透明导电薄膜技术的应用及发展趋势,为实现Zn O基透明导电薄膜在薄膜太阳能电池、平板显示器等领域的实际应用提供理论依据与实验参考.     

高岭土基三元纳米复合电流变液材料及其性能

从物理设计和化学设计出发, 研制了一种高岭土/二甲基亚砜/羧甲基淀粉三元纳米复合电流变液材料. 该体系采用二步复合法制备, 即先将极性液体二甲基亚砜直接插入到高岭土片层之间, 然后再用溶液法复合羧甲基淀粉. XRD测试表明高岭土的层间距由0.715 nm扩大到1.120 nm. SEM显示羧甲基淀粉以纳米颗粒复合于化合物内. 在颗粒/硅油体积比30%和DC E=5 kV/mm下, 这种材料的静态剪切应力可达17 kPa, 分别是相同条件下纯高岭土电流变液和高岭土/羧甲基淀粉电流变液的14和4.25倍. 三元体系电流变液还具有较好的温度效应和抗沉降性能, 放置30 d后沉降仅为9%. 研究表明, 当三元体系质量配比为1︰0.75︰0.6时, 协同效应最佳, 表现出最强的电流变效应. 介电性能测试表明三元体系电流变液的介电常数和电导率比原材料电流变液有很大改善, 增强了极化能力和介电失配, 从而使电流变性能大幅提高.     

光子增强热离子太阳能电池的性能研究

基于光子增强热离子太阳能电池(PETSC)的模型,考虑温度对半导体禁带宽度的影响,应用半导体物理学和不可逆热力学理论,研究PETSC的优化性能特性.分析阴极的电子亲和势和阳极的功函数等重要参数对PETSC太阳能电池性能的影响,结果表明,由于半导体硅材料的禁带宽度与阴极温度有关,则可同时对电子亲和势和阳极的功函数进行优化,因此PETSC的最大效率可达37%.本文所获得的一些结论可为实际PETSC的设计和优化运行提供理论依据.     

ZnO纳米柱的可控生长及其光学性质

以高分子聚合物聚乙烯醇（PVA）为软模板,通过PVA与乙酸锌（Zn（CH3COO）2．2H2O）之间发生的离子络合反应,在PVA亚浓溶液所提供的空间位阻力作用下,经过烧结,获得了直径在15—50nm之间的呈放射状簇形排列的ZnO纳米柱．X射线衍射（XRD）表明,所得产物结晶良好,呈六方纤锌矿晶体结构．利用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）分析了不同热处理温度对产物形貌的影响,结果显示,随温度从400℃增加到700℃,ZnO纳米柱生长趋势总体趋于明显,同时产物形貌的规整性也明显变好．采用室温下光致发光（PL）光谱对制得的ZnO纳米柱的光学性能研究表明,随着温度升高,ZnO发光性能在逐渐改善,除在384nm处出现了较常见的紫外发射外,PL光谱曲线在354nm处还出现了少见报道的较强的紫外发射峰,显示出良好的紫外发光性能．     

基于摩擦纳米发电机的电刺激方式对Ag/ZnO纳米线抗菌性能的影响

本文基于摩擦纳米发电机构建了电场刺激式和电流刺激式两种Ag/ZnO纳米线抗菌系统来探究不同电刺激方式对抗菌性能的影响.采用摩擦纳米发电机为该抗菌系统供电,摩擦纳米发电机能够将生物体运动的机械能转变为电能,采用大肠杆菌为杀菌对象.实验结果发现,电刺激能够显著增强该体系的杀菌效率,最高可将杀菌率提高51.71％(P＜0.0...     

增强相对镁基复合材料性能的影响分析

在AZ91D镁合金中仅添加Al_4Sr增强相,或复合添加Al_4Sr和石墨烯增强相,分析不同增强相对镁基复合材料的显微组织、耐磨损性能、耐腐蚀性能和高温力学性能的影响。结果表明,复合添合Al_4Sr和石墨烯增强相不仅明显提高材料的高温强度、耐磨损性能和耐腐蚀性能,还能改善材料的塑韧性。与未添加增强相的AZ91D镁合金相比,复合添合Al_4Sr和石墨烯增强相可使合金的150℃抗拉强度提高98.9%、屈服强度提高175.2%、断后伸长率基本不变,室温磨损体积减小85.5%,室温腐蚀电位正移198 m V。     

纳米TiO2/ZnO光催化降解氯胺磷的研究

采用溶胶-凝胶法制备了几种不同比例的纳米TiO2/ZnO复合半导体光催化剂及纯TiO2、ZnO单组分催化剂,并利用XRD,FE-SEM等手段对样品的结构和形貌进行表征.选用有机磷药氯胺磷为光催化降解对象,利用钼锑抗分光光度法测量并计算降解率,研究了溶液初始浓度、催化剂用量、催化剂的不同配比、热处理温度及溶液的pH值等因素对光催化降解效果的影响.实验结果表明:对于初始浓度4.5mg/L的氯胺磷溶液,催化剂用量为0.6 g·L<'-1>时,TiO2与ZnO的最佳比例为10:1,最佳热处理温度为500℃.反应进行5 h后,最大降解率可达到44.1%.在酸性及碱性介质中均有利于氯胺磷的降解,降解后溶液pH值都向中性趋近     

Fe基纳米晶晶化机理的AFM研究

用原子力显微镜(AFM)观测经不同温度退火的Fe基合金薄带(Fe_73.5Cu₁Nb₃Si1_3.5B₉)断口形貌, 结合XRD衍射晶体分析技术和综合他人已有研究结果, 分析了Nb和Cu在Fe基合金薄带退火过程中的作用机制. 提出了包裹晶颗、Nb空位团、Nb-B原子群等新概念, 并利用这些新概念描述了α-Fe(Si)纳米晶形成的机制, 从而建立了Fe基纳米晶合金由分隔相、包裹相和纳米晶相组成的三相互套结构模型.     

新型有序炭纳米棒阵列的合成及在电化学电容器中的应用

采用有序中孔硅为模板成功合成了排列有序的炭纳米棒阵列OCNR. XRD测试和TEM观测表明, OCNR为有序排列(p6mm)的炭纳米棒阵列构成. N₂吸脱附测试表明, OCNR具有典型的中孔结构和集中的中孔分布. 与超大比表面积的活性炭Maxsorb相比, OCNR具有更好的电容特性, 更高的功率输出和优异的高频电容性能, 这都得益于OCNR规整的孔道有利于电解质水合离子的快速扩散. 循环伏安研究表明, 在50 mV/s的高电压扫描速度下, OCNR的比电容值仍可保持在166 F/g, 而此时Maxsorb的比电容值却降低到73 F/g. 值得一提的是, OCNR在提供高功率输出的同时, 仍能保持高的能量密度, 可以应用于对功率输出和能量密度都有较高要求的场合.     

多孔硅反射镜基有机微腔器件的微结构和光电特性研究

从微结构和光电特性方面研究了一种新型硅基微腔的有机发光器件(SBM-OLEDs): 硅基多孔硅分布Bragg反射镜(PS-DBR)/SiO₂/ITO/有机多层膜/LiF/Al(1 nm)/Ag. 微腔器件的重要组成部分PS-DBR由低成本、高效率的电化学腐蚀方法制备. 场发射扫描电子显微图清晰显示: SBM-OLEDs具有纳米级层次结构和平整的界面. PS-DBR反射谱的阻止带宽160 nm, 且反射率达99%. SBM-OLEDs的反射谱中出现了标志此结构为微腔的共振腔膜. 在绿光和红光波段, 从SBM-OLEDs中都得到了改进的电致发光(EL)谱: 绿光(红光)EL谱的半高宽可由无微腔的83 nm (70 nm)窄化为有微腔时的8 nm (12 nm), 且为单峰发射, 微腔器件EL谱的色纯性有较大提高. 与非微腔器件相比, 发绿光和发红光的微腔在谐振波长处EL的强度分别增强了6倍和4倍. 对微腔器件的电流-亮度-电压(I-B-V)特性和影响器件寿命的因素也进行了讨论.     

基于铁基纳米晶薄片状吸收剂的吸波涂料制备

采用高压水雾化工艺制备的Fe合金粉为原料,经高能球磨处理和后续真空退火处理制备薄片状外形和纳米晶微结构的Fe基合金吸收剂;选用改性聚氨酯为胶粘剂,以Fe基合金吸收剂为填料制备吸波涂层;并对Fe基合金吸收剂的微波电磁参量和吸波性能做了测量和分析评价。结果表明,基于铁基纳米晶薄片状吸收剂制备的吸波涂料在0．5～18GHz的微波宽频带具有良好的吸波性能（小于-10dB）,可以应用于民用抗电磁辐射干扰和军事隐身技术领域。     

油酸功能化金属有机框架纳米片的摩擦学性能研究

利用对苯二甲酸与乙酸铜为原料,采用超声辅助自组装合成了铜基金属有机框架(Cu-MOF)纳米片,之后通过超声处理将油酸分子修饰于Cu-MOF表面,得到Cu-MOF@OA纳米片.相比于Cu-MOF纳米片, Cu-MOF@OA纳米片在保持片状结构的同时,其尺寸进一步减小,同时也使团聚问题得到了极大改善,在基础油500 N中表现出良好的分散稳定性.摩擦学试验表明,在1.0 wt.%的添加浓度下, Cu-MOF@OA展现出最佳的摩擦学性能,其摩擦系数降低至基础油的3/5,磨损体积降低至基础油的1/6.最后,利用扫描电子显微镜(SEM)与X射线光电子能谱(XPS)对Cu-MOF@OA纳米片润滑后的磨痕进行形貌和特征元素的表征,探究其润滑机制.结果表明,摩擦过程中在负载和剪切应力的共同作用下, Cu-MOF@OA纳米片、基础油以及铁基底三者之间发生了复杂的摩擦化学反应,形成了由含氮物质、含碳物质与铁氧化物组成的摩擦膜,降低了摩擦磨损.     

稀土-金属共掺杂纳米TiO2的制备及其光催化性能

采用溶胶-凝胶法制备了稀土La3 、Ce3 单掺杂及La-Fe、Ce-Fe共掺杂TiO2光催化剂,利用XRD、FE-SEM等手段对样品的结构、形貌进行了表征.以甲基橙为光催化反应模型化舍物,考察了掺杂对光催化活性的影响.实验结果表明:稀土-金属掺杂抑制了TiO2锐钛矿相向金红石相的转变,抑制了纳米晶体的生长.掺杂后TiO2光催化荆的光催化性能有明显提高,共掺杂TiO2光催化剂产生了协同效应,其光催化性能优于单掺杂样品,以La 0.5%-Fe 0.05%共掺杂效果最佳.     

基于文献计量的我国及世界光电材料研究比较分析

通过采集科学引文索引中所收录的世界1990年~2005年光电材料研究论文,并对数据进行二次处理,对论文数量排名前10位的国家进行了多项指标分析,比较了世界在该领域论文的机构分布(部分国家的主要机构)和我国在该领域论文的机构分布(部分科研机构和大学),得出了有价值的研究结果,并提出一些建议。