钙钛矿太阳能电池中无掺杂聚合物空穴传输材料研究进展

基于传统空穴传输材料(HTM)的钙钛矿太阳能电池(PSC)已经实现了超过25%的能量转换效率,然而这些HTM通常需要添加吸湿性掺杂剂来实现高迁移率和可加工性,从而降低了器件稳定性。为解决该问题,无掺杂HTM受到广泛关注。总结了近年来用于高效PSC的无掺杂聚合物HTM的结构和性能,并分析了其中的构效关系,提出了高效无掺杂聚合物HTM的结构设计原理,并展望了未来的发展趋势。

封装对聚合物太阳能电池性能和稳定性的影响

为了提高有机光伏器件的寿命,通常采用封装技术来限制太阳能电池在水氧中的暴露程度。尽管聚合物太阳能电池(organic solar cells,OSCs)封装领域的相关研究已取得系列进展,但文献中很少研究封装过程带来的损伤。以经典的聚-3已基噻吩为给体,[6,6]-苯基-C_(61)-丁酸甲酯为受体,通过将哌嗪作为第三组分提高器件稳定性,以氧化锌(ZnO)和三氧化钼(MoO_(3))为传输层材料制备倒置结构OSCs,系统考察大规模卷对卷器件封装中常用的紫外线(ultraviolet,UV)固化粘合剂对器件光电转化效率和稳定性的影响。结果表明,随着辐照时间的延长,UV胶封装器件的性能(开路电压、短路电流密度、填充因子和光电转化效率)呈持续下降趋势,更换MoO_(3)/Al电极后老化器件性能恢复,证实MoO_(3)/Al界面破坏是器件性能衰减的重要原因。激光束诱导电流成像显示UV胶封装出现由边缘向中心的失效过程。据此,提出如下的降解机理:UV胶中的光引发剂在紫外光照射下会产生强的质子酸,产生的质子酸与MoO_(3)发生反应,阻碍了空穴的有效传输,最终使得器件效率大幅度下降。此外,还开发出一种有效的OSCs器件用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物膜封装工艺。本研究指出了UV胶固化粘合剂封装工艺的问题,同时也为提高聚合物太阳能电池的稳定性提供了新策略。

端基修饰聚合物给体制备高性能有机太阳能电池

端基工程是一种非常简单、操作方便的聚合物修饰策略,然而该策略用于调控非富勒烯有机太阳能电池性能的研究尚不充分.本文通过Stille偶联方法,分别以2-(2-乙基己基)噻吩(T-EH)、5-(2-乙基己基)-2,2′-联噻吩(2T-EH)和5-(2-乙基己基)-2,2′∶5,2′-三联噻吩(3T-EH)为封端基团,制备了3种新型的全封端聚合物给体PM6-T-EH,PM6-2T-EH和PM6-3T-EH.相比于未封端的聚合物给体PM6(效率为15.40%),封端后的聚合物PM6-T-EH,PM6-2T-EH,PM6-3T-EH与Y6制备的器件分别取得了16.66%,15.54%和13.50%的能量转换效率.研究发现,烷基单噻吩基团封端聚合物可以有效减少活性层中的载流子陷阱、优化活性层的形貌、改善电荷传输,从而提升器件的性能.随着封端基团噻吩单元的增加,器件性能逐渐降低,主要归因于封端剂共轭链增长、体积过大导致活性层形貌变差.在单噻吩封端的最优性能基础上,通过活性层优化,PM6-T-EH∶BTP-eC9体系的器件效率可达18.02%.

含9,10-二氟二噻吩并吩嗪杂环共轭聚合物的合成及有机太阳能电池性能

设计具有稠环结构的缺电子单元是构筑高性能共聚物的有效策略.本文合成了新的缺电子单元9,10-二氟二噻吩并吩嗪(DTPZ)单体,并合成出两个新的聚合物PB-DTPZ和PFB-DTPZ.对两个聚合物的光物理性能、电化学性质、有机光伏性能和活性层形貌等进行表征.聚合物PB-DTPZ和PFB-DTPZ的光学带隙分别为1.70和1.68 eV,相关的吸收光谱相较于常见的宽带隙聚合物有所红移.聚合物PB-DTPZ和PFB-DTPZ具有较低的HOMO能级,分别为‒5.51和‒5.68 eV,说明DTPZ单元具有较强的吸电子能力.得益于更加匹配的HOMO能级,基于PB-DTPZ∶Y6的二元聚合物太阳能电池获得了12.13%的充电转换效率(PCE),高于基于PFB-DTPZ∶Y6的二元器件.将两个聚合物作为第三组分别分添加到PM6∶Y6体系中,由于更深的HOMO能级以及互补的吸收,使得基于PB-DTPZ和PFB-DTPZ的三元器件的PCE分别提升至17.08%和16.99%.

二维MXene材料在太阳能电池和金属离子电池中的研究进展

MXene是一种新型二维材料,具有导电性高、表面官能团丰富、层间距和能带结构可调等特点,从而在新能源器件中拥有重要的研究价值。综述了MXene在太阳能电池和金属离子电池中应用的相关进展。在太阳能电池中,基于MXene高电导率、高透明度和功函数灵活可调的特点,讨论了其在电极和载流子传输层中的相关应用研究,并对MXene功函数调整的策略进行了总结。在金属离子电池中,基于MXene独特的二维层状结构、优异的力学性能和良好的导电性,讨论了MXene作为负极材料以及与碳纳米材料、金属氧化物和硅组成的复合材料对电化学性能的提升作用,并对MXene在正极材料、集流体以及隔膜中应用也进行了介绍。最后对MXene的下一步发展进行了展望。

基于受体_(1)-受体_(2)型聚合物给体的高效有机太阳能电池

设计合成了2种宽带隙聚合物给体,分别命名为PDTz-BDD和PDTz-BDT.其中, PDTz-BDT是一种典型的给-受体(D-A)型共轭聚合物, PDTz-BDD是具有受体_(1)-受体_(2)(A_(1)-A_(2))型结构的共轭聚合物.采用BTP-e C9作为受体,分别与PDTz-BDD和PDTz-BDT共混构建有机太阳能电池,系统研究了两种给体的光伏性能.研究结果表明,具有A_(1)-A_(2)型结构的PDTz-BDD表现出更强的光吸收能力、更明显的溶液聚集效应与更优良的器件形貌,相应的光伏电池可以实现更高的光电转换效率(10.36%).本文不仅设计合成了2种新型给体,而且为构建A_(1)-A_(2)型共聚物以开发高效聚合物给体提供了参考.

钙钛矿太阳能电池材料缺陷对器件性能与稳定性的影响

基于钙钛矿太阳能电池材料独特的光电特性,特别是光电转换效率在初期短时间内的快速提升,使其成为当前光伏领域中最富吸引力的光吸收材料之一.然而,近年来转换效率的增长步入缓慢阶段,同时材料的长期稳定性也成为商业化应用的关键挑战,这些问题背后的物理机制与材料缺陷密切相关.为进一步提高电池效率和结构稳定性,必须深刻理解和精准地掌握这些缺陷的特性.本文全面回顾了钙钛矿材料中各类缺陷对光伏性能和稳定性的影响,包括传统刚性模型缺陷、非常规性缺陷、复合型缺陷、离子迁移和缺陷对载流子寿命的影响,论述了缺陷与材料结构稳定性之间的紧密关联性,并对未来关于缺陷的研究方向进行了展望.

聚合物添加剂作为形貌调节剂提升全小分子有机太阳能电池的效率和稳定性

活性层形貌的调控是实现全小分子有机太阳能电池高效率和稳定性的关键.本文将聚合物给体PM7作为形貌调节剂加入到BTTzR∶Y6二元体系中,制备了三元全小分子有机太阳能电池.研究结果表明,少量PM7的加入能够有效改善共混膜中的微观纳米结构和分子堆积,促使器件获得更加有效的激子解离和载流子传输;相应器件的短路电流和填充因子显著提升,最终能量转化效率从二元器件的13.9%提高到三元器件的16.0%.值得注意的是,三元器件的热稳定性大幅提升,在85℃加热2200 min后依然能够保持初始效率的79%;而二元器件则大幅衰减到初始效率的43%.以上结果表明,添加聚合物添加剂可以有效地调节共混膜形貌,以获得高效和稳定的全小分子有机太阳能电池.

客体增塑剂调控非卤溶剂中聚合物给体预聚集行为制备高性能有机太阳能电池

随着以Y6为代表的非富勒烯受体的飞速发展,有机太阳能电池(OSCs)效率(PCE)已经突破19%.然而,其苛刻的制备条件(如使用高挥发性、剧毒的氯仿为溶剂)并不符合大面积印刷的技术要求和工业环保标准.本文设计并合成了一种具备硅氧烷重复单元侧链的客体分子BTP-3Si-4F,可作为增塑剂抑制PM6在非卤化(甲苯)溶液中的预聚集行为,从而获得纳米尺寸的优势相分离.最终,基于甲苯加工的PM6∶Y6∶BTP-3Si-4F和PM6∶BTP-eC9∶BTP-3Si-4F活性层分别获得了16.92%和17.64%的PCEs.本文结果表明,通过设计客体分子调控给体的预聚集行为是在非卤化溶液中制备高效OSCs的一种有效的通用策略.

凝胶聚合物电解质用于锂离子电池的研究进展

电解质在电化学储能中起着至关重要的作用。在锂离子电池(LIB)中,液体电解质(LE)在几十年的发展中表现出了优异的性能,如高的离子电导率(10-3 S/cm)和与电极良好的接触。然而,LE中的安全问题以及由枝晶生长引起的性能退化严重阻碍了LIB的实际应用。因此,聚合物电解质(PE)有望取代LE。固体聚合物电解质(SPE)虽然有很好的安全性和机械性能,但其受温度限制,离子电导率较低,且与电极接触较差,电池循环性较差。凝胶聚合物电解质(GPE)结合两者的优点,被认为是现有有机液体电解质的有效替代品,它可以用来制造更安全的锂电池。对现有聚合物基体的交联、共聚和混合改性——能够提高电解质的电化学性能的方法进行了综述。同时也对GPE在LIB中的最新研究进展进行了综述,并介绍了新型生物基凝胶电解质基体。最后,展望了制造性能优异的基于GPEs的LIB电池面临的挑战和发展方向。

局部和全局特征融合的太阳能电池片表面缺陷检测

太阳能电池片表面缺陷具有类内差异大、类间差异小和背景特征复杂等特点,因此,要实现高精度的太阳能电池片表面缺陷自动检测是一项富有挑战性的任务。针对此问题,该文提出融合局部和全局特征的卷积视觉Transformer网络(CViT-Net),首先采用Ghost聚焦(G-C2F)模块提取电池片缺陷局部特征;然后引进坐标注意力强调缺陷特征并抑制背景特征;最后构建Ghost视觉(G-ViT)模块融合电池片缺陷局部特征和全局特征。同时,针对不同检测精度和模型参数量,分别提供了CViT-Net-S和CViT-Net-L两种网络结构。实验结果表明,与经典MobileVit、MobileNetV3和GhostNet轻量级网络相比,CViT-Net-S对电池片分类准确率分别提升了1.4%、2.3%和1.3%,对电池片检测mAP50分别提升了2.7%、0.3%和0.8%;与ResNet50、RegNet网络相比,CViT-Net-L分类准确率分别提升了0.72%和0.7%,检测mAP50分别提升了3.9%、1.3%;与先进YOLOv6、YOLOv7和YOLOv8检测网络相比,作为骨干网络的CViT-Net-S、CViT-Net-L结构在mAP和mAP50指标上仍保持良好检测效果。结果证明本文算法在太阳能电池片表面缺陷检测领域具有应用价值。

半透明钙钛矿太阳能电池的研究进展

半透明太阳能电池因其在发电窗户、建筑集成光伏、农业温室等领域的巨大潜力而受到越来越多的关注.钙钛矿因其优异的光电性能和通用的制造方法成为了半透明太阳能电池光吸收材料的理想候选.半透明太阳能电池具有高透明度、颜色可调性等优异性能.因此,为了保证光电转换效率的同时实现良好的透光性,科学界需要继续解决器件结构设计、吸光层和透明电极材料等问题.分析半透明钙钛矿太阳能电池在电极设计、有源层调控以及器件结构的最新研究进展,并探讨半透明钙钛矿太阳能电池当前所面临的问题和未来发展方向.

中国太阳能电池出口竞争力及市场国别分析

近年来,中国大力发展以太阳能电池为代表的低碳新能源绿色产业,太阳能电池出口呈现快速增长态势。本文分析了中国太阳能电池出口的市场国别情况,运用国际市场占有率(IMS)、显示性比较优势指数(RCA)及贸易竞争力指数(TC)研究了中国太阳能电池的出口竞争力。结果表明:近十年来,中国太阳能电池的国际竞争力一直位居世界第一,出口市场日益多元化发展,荷兰、日本、巴西和印度是中国的主要出口市场。中国太阳能电池出口目前面临产能过剩、贸易摩擦事件频发等挑战,为此,中国企业应利用产能扩张带来的价格优势,积极开拓新兴市场和巩固传统市场,并加强技术创新与保护。

太阳能电池片建设项目环境影响评价中重点关注问题探析

简要梳理了太阳能电池生产工艺,介绍了电池片项目产排污节点,分析了行业产污特征,提出了项目环境影响评价过程中应重点关注的问题,研究成果可为太阳能电池片制造项目前期研判及环保管理提供技术参考。

全聚合物太阳能电池中聚合物受体的研究进展

简述了全聚合物太阳能电池的器件结构和工作原理。根据聚合物受体的结构组成模块,分别从小分子受体构建单元(包括给电子中心核与吸电子末端)和桥连单元的角度,综述了近几年聚合物受体材料的结构变化与效率发展,总结了每种结构优化手段对材料性质的影响。最后提出了聚合物受体目前仍存在的问题并展望了未来的发展趋势。

非共轭聚合物在有机太阳能电池中的自组装效应

为简化工艺流程并提高器件效率,利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的自组装效应,制备了非富勒烯正置有机太阳能电池(organic solar cells,OSCs)的阴极界面层。相比传统的体异质结,通过顺序沉积法制备的准平面异质结活性层结构能更好地发挥PVP的自组装效应。通过接触角、原子力显微镜等表征PVP的自组装迁移方向及过程,并从器件的光强依赖关系分析了PVP影响器件效率的机理。结果表明:在基于准平面异质结构并以PM6:Y6为活性层的有机光伏器件中,引入PVP形成的自组装阴极界面层可使器件的光电转换效率高达11.32%,相比于参考器件其效率提高了25.5%。结果说明对于具有低沸点溶剂的有机太阳能电池,通过准平面异质结活性层结构和非共轭聚合物自组装电子传输层的结合,将获得简单且效率更高的制备工艺。

新型空间太阳能电池用的钙钛矿薄膜与器件的电子辐照效应

钙钛矿太阳能电池由于具有高效率、低成本、高比功率以及明显优于硅基和Ⅲ-Ⅴ化合物太阳能电池的辐照抗性等优点,被认为是新型空间太阳能电池的有力竞争者之一.目前,人们重点关注钙钛矿太阳能电池的辐照效应,而对核心的钙钛矿薄膜的辐照损伤机理研究较少.本文首先利用蒙特卡罗法模拟预测了钙钛矿太阳能电池的电子辐照效应,然后结合电子辐照前后钙钛矿薄膜的微观组织结构表征和光学/电学性能对比,阐述了薄膜的辐照损伤机理,并对钙钛矿太阳能电池的电子辐照可靠性进行了评价.研究表明,混合阳离子钙钛矿薄膜与太阳能电池表现出优异的电子辐照抗性.即使在累计剂量达5×10^(15)e·cm^(-2)的100 keV电子辐照下,电池依然可保持17.29%的平均能量转换效率,维持了约85%的初始效率水平.本研究为新型空间太阳能电池的抗辐照加固设计提供了理论与实验依据,有助于提高新型空间太阳能电池的服役性能与可靠性.

基于数据采集卡及电子负载的太阳能电池伏安特性测试系统

为低成本高速测量太阳能电池伏安特性,设计一套基于数据采集卡(DAQ)及金属-氧化物半导体场效应晶体管电子负载(MOS)的测量系统。该系统硬件主要包括DAQ、MOS以及采样电阻等,软件主要包括数据采集模块、数据分析处理模块、数据存储模块等。对测量系统研究有三点结论。第1点是系统测量结果与Keithley 2400源表对比,它们之间全局相对误差约为9.5%;与电阻箱负载测量结果对比,它们之间最大功率点相差约17%;说明系统测量精度较高。第2点是发现MOS管电子负载无法实现零阻值负载,但可在电池最大功率点附近做到几乎连续电阻变化;管子型号影响测量结果,且开态电阻大的MOS管测量误差大。采样电阻应选择小的但不能无穷小,因为当使用小的采样电阻时导线电阻将对测量结果严重影响。第3点是采用Matlab/Simulink建模和拟合实验数据时,可获得电池短路电流、反向饱和电流及二极管理想因子,弥补系统固有缺点。

基于协同钝化策略制备高性能柔性钙钛矿太阳能电池

柔性钙钛矿太阳能电池由于可弯曲、重量轻、高功质比等特点,受到广泛关注.提升柔性钙钛矿太阳能电池转换效率最有效的策略是钝化钙钛矿薄膜内部的晶界缺陷以及钝化钙钛矿薄膜与电荷传输层的界面缺陷.本文设计制备了以柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate,PET)为基材的柔性反式钙钛矿太阳能电池,采用了辛基氯化胺(octadecylamine hydrochloride,OACl)添加剂及表面钝化的协同钝化策略,提高了钙钛矿薄膜的结晶质量,改善了钙钛矿薄膜内部及界面处的缺陷,并最终得到了光电转换效率为20.80%的柔性反式钙钛矿太阳能电池.本文为制备高效柔性钙钛矿太阳能电池提供了一种有效策略.

构建一维铜基配位聚合物作为锂离子电池正极材料

合成了一种新型的一维(1D)羰基配位聚合物[Cu(BGPD)(DMA)(H2O)]·DMA(记为Cu-BD,H2BGPD=N,N’-双(甘氨酰)均苯四甲酸二酰亚胺,DMA=二甲基乙酰胺),并考察了其用作锂离子电池正极材料的电化学性能。电化学测试结果表明,Cu-BD正极在50 mA·g^(-1)的电流密度下循环100圈后仍然保留50 mAh·g^(-1)的比容量,具有较好的循环稳定性。Cu-BD电极反应机理研究表明,BGPD2-配体和Cu(Ⅱ)离子在充放电过程中都可能参与了电子转移过程。