新型太阳能电池

新型太阳能电池包括以下四个研究方向

铜锌锡硫太阳能电池

光伏建筑一体化(BIPV)与光伏应用建筑(BAPV)是当下的研究热点,也是光伏产业的一个重要应用。因为高效硅和Cu(InGa)Se2(CIGS)的制备技术已经十分成熟,所以在上述领域中被广泛应用。而为了进一步提高性价比,拓宽BIPV与BAPV的市场,含量储备缝补的锌黄锡矿材料Cu2ZnSn(S, Se)4 (CZTSSe)便引起了大家的广泛关注。本课题组自2011年起开始研究该材料,通过五年的准备,我们在2015年建立了一个CZTSSe的研究平台。完整的CZTSSe太阳能器件具有多层结构,其中任意一层和之间的界面都对性能表现具有决定性作用。通过研究与优化器件的每一部分,我们实现了超过12%的效率。

钙钛矿型薄膜太阳能电池

以钙钛矿型有机铅碘化合物为吸光材料的薄膜太阳能电池,是继染料敏化、量子点敏化之后的又一基于纳米TiO2的新型太阳能电池。研究人员首次将它作为太阳能电池的原材料搬进实验室则是在2009年。早期的实验却并不尽如人意,但在近两年,这种类型的电池的效率取得了突飞猛进的进展,钙钛矿的研究已经在多个实验室展开,参与专家包括来自瑞士洛桑联邦理工学院的Michael Gratzel和来自牛津大学的Henry Snaith,目前效率已经达到15%。

量子点太阳能电池

量子点敏化太阳能电池(QDSCs)是染料敏化太阳能电池(DSCs)的重要分支,其结构与DSCs是一致的。QDSCs与DSCs的主要区别在于,采用无机窄禁带的量子点(QDs)取代传统的钌染料作为吸收太阳光的敏化剂。QDs的诸多优势,使得QDSCs成为目前科学研究的热点。(1)可以选择的QDs的种类丰富,目前应用于QDSCs的量子点主要是CdS、CdSe、PbS、CuInS2等。每种量子点的本征吸收带边和最佳吸收光的波长范围是不一样的。(2)可以改变QDs的尺寸来改变QDs的禁带宽度。因而,通过调节QDs的种类和尺寸大小可以实现可见光的全吸收。(3)QDs合成方法简便,从而降低了QDSCs的成本。(4)因为QDs的消光系数很高,可以有效减小光阳极的厚度而不影响吸收光的效率,从而进一步降低QDSCs的成本。(5)QDs可以吸收高能光子并产生多个电子,使得QDSCs的效率增长前景广阔。虽然QDs的优点很多,目前报道的最高的QDSCs的效率仅在5%左右,与DSCs的最高效率值还有一定差距。实际上,对于QDSCs,光阳极、电解液、对电极并没有得到系统的优化,内部机理的研究尚在起步阶段。挑战与机遇并存,QDSCs的发展前景是值得肯定的。

染料敏化太阳能电池

纳晶太阳能材料的制备与光电器件的组装,实现太阳能到电能转换。——染料敏化太阳能电池

染料敏化纳米晶太阳能电池(DSCs)是上世纪九十年代发展起来的一种新型光伏发电器件。其工作过程集物理化学为一体,包括了光吸收产生载流子、电荷的传输和电化学反应,具体来说,就是吸附在光阳极上的染料分子吸收太阳光后,电子从基态跃迁到激发态,然后注入到光阳极,通过光阳极材料传输到外电路,失去电子的染料分子被电解液中的还原电对还原,电解液中的氧化电对扩散至对电极在对电极材料的催化作用下被还原(图1)。这种新型光伏电池环境友好、制备工艺简单、材料便宜,特别是在低成本、低价格方面具有突出优势,成本估算表明只要电池的光电转换效率达到5%就具有应用价值。目前世界上液态染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转换效率已达到13%(50 mW/cm2, AM 1.5)。