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.     

多晶硅薄膜太阳能电池的研究现状

综述了各类太阳能电池的优缺点和研究应用现状,介绍了多晶硅薄膜太阳能电池的基本结构及制备工艺和多晶硅薄膜的各种不同制备方法及其优缺点,最后对多晶硅薄膜太阳能电池的研究及应用前景进行了展望。     

清华大学材料科学与工程系：新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室——太阳能课题组

本课题组长期致力于染料敏化太阳能电池的基础研究与电池器件的市场化推广应用。在基础研究方面，我们结合自身的学科优势特点，重点研究开发染料敏化太阳能电池各关键部件中的新型材料。在半导体光阳极方面，我们在导电基板上制备了各种一维定向的纳米金属氧化物。采用碱溶液直接水热法制备了TiO2纳米线阵列。     

清华大学材料科学与工程系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室——太阳能课题组

本课题组长期致力于染料敏化太阳能电池的基础研究与电池器件的市场化推广应用。在基础研究方面，我们结合自身的学科优势特点，重点研究开发染料敏化太阳能电池各关键部件中的新型材料。在半导体光阳极方面，我们在导电基板上制备了各种一维定向的纳米金属氧化物。采用碱溶液直接水热法制备了TiO2纳米线阵列。     

清华大学材料科学与工程系 新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室——太阳能课题组

本课题组长期致力于染料敏化太阳能电池的基础研究与电池器件的市场化推广应用。在基础研究方面，我们结合自身的学科优势特点，重点研究开发染料敏化太阳能电池各关键部件中的新型材料。在半导体光阳极方面，我们在导电基板上制备了各种一维定向的纳米金属氧化物。采用碱溶液直接水热法制备了TiO2纳米线阵列。     

染料敏化太阳能电池用电解质的研究现状

染料敏化太阳能电池(DSC)近年已经成为一个研究热点。电解质作为染料敏化太阳能电池的一个重要组成部分对电池性能影响较大。本文综述了目前国内外染料敏化太阳能电池用电解质的研究发展现状。按照电解质的物理状态将电解质分为液态电解质、准固态电解质和固态电解质分别予以介绍,并比较了使用这三种电解质的太阳能电池的优缺点。     

清华大学材料科学与工程系——新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室——太阳能课题组

本课题组长期致力于染料敏化太阳能电池的基础研究与电池器件的市场化推广应用。在基础研究方面，我们结合自身的学科优势特点，重点研究开发染料敏化太阳能电池各关键部件中的新型材料。在半导体光阳极方面，我们在导电基板上制备了各种一维定向的纳米金属氧化物。采用碱溶液直接水热法制备了TiO2纳米线阵列。     

光子增强热离子发射太阳能电池混合功率系统参数的优化设计

考虑实际系统中存在的多种传热损失,本文建立一类不可逆光子增强热离子发射太阳能电池与温差热电发电器组合而成的混发电系统模型.基于太阳能电池与温差热电发电器之间的能量平衡方程,导出该混合系统输出功率和效率的表达式.通过数值计算,详细分析了光增热离子太阳能电池的面积、阴极半导体材料的禁带宽度、电子亲和势以及温差热电发电器的无量纲电流对混合系统优化性能的影响,确定混合发电系统运行于最大效率下光子增强热离子太阳能电池阴极材料的禁带宽度,电子亲和势,电池面积和温差热电发电器的无量纲电流的优化值.结果表明,采用混合发电系统,太阳能转换效率与工作于相同条件下的单一光增热离子太阳能电池的效率相比可提高约10%,而光增热离子太阳能电池阴极半导体材料禁带宽度在最大效率下的优化值则比单一光增热离子太阳能电池的小.本文所得结果可为实际光子增强热离子太阳能电池混合发电系统的设计和优化运行提供理论依据.     

ZnO纳米阵列基钙钛矿太阳能电池的光电性能分析

近年来钙钛矿材料CH3NH3Pb X3(X=Cl,I,Br)因其在可见光范围的吸光系数大、成本低廉、能量转换效率高等优势而得到快速发展.本文采用低温化学水浴沉积制备出有序的Zn O纳米阵列,进一步在Zn O纳米阵列上旋涂不同体系的Ti O2,制备出Zn O/Ti O2复合阵列结构作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层,通过改变Ti O2掺入体系探究电极的微结构变化和电池光电性能.研究表明,Zn O纳米阵列经过Ti O2浆料处理的复合体系组装的电池具有最优的光电性能,进一步考察Ti O2浆料浓度对电池性能的影响表明,当Ti O2浓度为0.1 mol/L时得到最佳性能,其组装电池的开路电压(Voc)达到0.93 V,短路电流(Jsc)为15.30 m A cm-2,填充因子(FF)为43%,效率(η)为6.07%.效率的提升主要是因为钙钛矿能深入Zn O阵列的间隙,同时在阵列的上部形成了均匀致密的覆盖层,有效提高了电池的光俘获,同时抑制了载流子的复合.在Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构优化浆料浓度的基础上,进一步对纳米阵列采用Ti Cl4溶液进行处理,电池的光电性能得到大幅提升:Voc=0.99 V,Jsc=19.09 m A cm-2,FF=58%,效率η达到11%.性能提升的原因主要是Ti Cl4溶液对复合纳米阵列的处理,引入了小Ti O2纳米颗粒到Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构中,有效地填补了阵列中的间隙,后续旋涂钙钛矿材料,阵列上部的钙钛矿覆盖层和间隙中的钙钛矿纳米晶,其光照后产生的载流子都可以与电子传输层有很好的接触,从而快速地经由Zn O阵列传导至导电衬底,此外小纳米颗粒的引入,也增大了电极的表面积,提高了对钙钛矿物质的吸附,增大了光俘获,因而电池的整体性能都得到提高.     

表面凹坑阵列陷光结构的光学衍射特征研究

表面凹坑阵列结构具有良好的陷光特性,能有效地降低电池表面的光能反射和延长光在电池吸收层中的光程,因此在光伏领域,特别是在硅薄膜太阳能电池中具有良好的应用前景.本文采用理论分析与实验验证相结合的方法,对凹坑阵列陷光结构的光学衍射特征进行研究,并讨论了凹坑阵列结构的衍射效应对硅薄膜太阳能电池吸收特性的影响.研究结果发现,凹坑阵列陷光结构的深宽比越大,其衍射效率越好,越有利于光的均匀散射,越有利于电池对入射光的吸收和电池效率的提升.另外,凹坑阵列结构的衍射特性还与入射波的波长有关,入射波长越长,其衍射效果越好.本研究对于高效表面陷光阵列的设计以及高效衍射效率光栅的制备具有重要的参考价值.     

能源互联网重要基础支撑:分布式储能技术的探索与实践

可再生能源分布式发电的能量波动性以及用户驱动的能量需求的时空随机性,导致能源互联网中能量流本身具有先天的不确定性与无秩序性,因此,分布式储能技术由于可以有效消除能量流的不确定性,并使能量的时空转移和能量流的有序流动成为可能,成为能源互联网重要基础支撑.分布式电池储能作为一种重要的储能方式,电池单体本身非线性特性与电池成组或成网后单体间的差异性,使得电池储能系统"管理好"成为真正"使用好"的基础.但是,电池成组或成网后将构成复杂巨系统,这对"管理好"带来巨大的挑战.因此,本文基于作者多年理论与技术的成果积累,总结了一套适用于分布式储能的大规模电池网络优化管理的理论与方法,包括:单体和电池组或电池网络的建模与状态参数精确估算;基于模糊测度的电池网络特征提取及快速计算;基于自适应动态规划的电池网络优化管理.随后,本文将基于能源互联网思想的分布式储能架构及其管理优化方法与技术引入数据中心,并给出了其在数据中心中实际应用原型系统介绍.本文工作可以为能源互联网的重要基础支撑—分布式储能技术—的研究与应用提供方法指导与技术支撑.     

用于新能源汽车的锂离子动力电池研究进展

随着国内外新能源汽车产业的快速发展,作为核心部件的锂离子电池行业正在成为新的风口。本文列举了在锂电行业具有技术竞争优势的美国、日本、韩国、中国等国在锂离子动力电池方面的战略规划,分析了各国在技术路线上的差异。随后对锂电行业的发展趋势进行预测。研究发现,锂离子电池重点关注能量密度、成本、寿命;高镍多元材料将成为未来车用动力电池的主流正极材料体系;新体系固态锂离子电池将成为锂电行业新的研究方向。最后,从电池关键技术、市场发展、后续回收利用等三方面对我国锂电行业日后发展提出了几点建议。     

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.     

同步辐射光源的科技发展及科学影响分析——以欧洲同步辐射光源为例

作为当前世界上数量最多的一类公共平台型重大科技基础设施,同步辐射光源的建设部署和升级改良受到各国的广泛关注,基于同步辐射的科学研究活动进入快速发展阶段。本文以欧洲同步辐射光源(ESRF)为例,使用文献计量方法从科学产出趋势、研究主题变化、优势研究单元、国际合作、产研合作以及重大科技突破等方面分析同步辐射光源对科技发展的支撑和影响。研究结果表明,在科学的前瞻性部署下,ESRF的科研产出不断提高,为凝聚态物理、材料、生命科学等众多学科领域研究提供有力的支撑;促进结构生物学等新兴交叉学科的形成和分化;在国际合作和产业技术研发中发挥纽带和平台的作用;同时也在一些科学领域的应用中面临着来自于冷冻电镜等新兴实验技术变革的挑战。     

日本染料敏化太阳能电池最新研究动向

染料敏化太阳能电池(DSC)由于具有理论转换效率高，透明性高，制备工艺简单，成本低等众多优点，近年来成为世界各国争相开发研究的热点。本文在回顾了DSC的发展进程，分析了DSC的现存问题后，重点介绍了日本近几年来在开发用于DSC的光电材料和促进DSC实用化方面的研究成果。     

高关注度技术领域的市场趋势与专利技术类别分布

正2020年4月10日,针对公众关注度较高的11个技术领域,日本专利局分析了日本、美国、欧洲、中国、韩国等国家及地区的专利申请和市场趋势。钙钛矿太阳能电池:全球钙钛矿太阳能电池市场规模预计将从2019年的2. 07亿美元增长到2024年的12. 7亿美元,年均增长率达36%。从专利申请的技术类别来看,涉及光电转换层的铅使用技术相关专利申请量最多(2009—2017)。     

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.     

晶体硅太阳电池SiNx/Al 背反射性能研究

随着硅片的不断减薄, 晶体硅太阳电池背反射性能变得越来越重要. 本文首先采用PC1D 软件进行理论模拟, 研究背反射率对电池的电学和光学性能影响. 模拟表明, 电池的短路电流、开路电压和内、外量子效率均随着背反射率增大而变大. 当电池背反射率从60%增加到100%时, 电池短路电流提高了 0.128 A, 最大输出功率提高了 0.066 W, 开路电压提高0.007 V; 1100 nm 波长下, 内量子效率提高39.9%, 外量子效率提高17.4%, 电池效率提高了0.4%. 然后, 通过丝网印刷技术制备了SiN_x/Al 背反射器, 实验结果表明, 在长波波段SiN_x/Al 背反射器具有良好的背反射性能, 在1100 nm以上的长波波段含有SiN_x/Al 背反射器结构的电池比普通Al 背场电池对同波长光的背反射率高出15%, 因而具有更高的电池效率.     

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.     

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%.