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中科院化學所在太陽能電池材料與器件研究方面

 

  發展低成本、新型太陽能電池關鍵材料與高性能器件是大規模發展太陽能電池,解決未來社會能源問題的關鍵,也是這一領域研究的熱點和難點之一。在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下,中科院化學研究所分子納米結構與納米技術重點實驗室的研究人員近期在設計和構筑基于三維導電網絡與組裝結構的高效量子點敏化太陽能電池材料,以及低成本薄膜太陽能電池材料的研究方面取得了新的進展。


  圖 [email protected]納米線陣列作為高效量子點敏化太陽能電池對電極材料示意圖
  設計制備出由ITO納米線芯層與Cu2S納米晶殼層組裝而成的[email protected]納米線陣列,使用這種具有三維導電網絡結構的材料制備的量子點敏化太陽能電池表現出優于傳統材料的優異性能(Nano Lett., 2014, 14, 365);通過優選Cu2S納米晶殼層的構筑方法,深入研究其組裝結構中ITO納米線芯層與Cu2S納米晶殼層間界面對電池性能的影響,進一步提高了電池的轉換效率(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 15448);在此基礎上,通過網絡化多級組裝設計,在[email protected]納米線陣列結構基礎上進行了二級和三級結構的組裝,進一步使利用這種對電極材料的量子點敏化太陽能電池的轉換效率提升至6%以上。這種新型對電極材料在電池運行時可有效形成隧道結,通過降低器件的串聯電阻,提高并聯電阻以及填充因子而大大提高了電池的轉換效率,而且解決了傳統金屬銅/硫化亞銅易脫落、無法穩定工作的難題(Nano Lett., 2015, 15, 3088)。
  探索低成本薄膜太陽能電池材料是未來規模化利用太陽能發電的必由之路。FeS2作為組成元素無毒、儲量十分豐富的一種材料,具有合適的禁帶寬度、光吸收系數、足夠的載流子擴散長度,因此是一種理想的低成本環境友好型薄膜太陽能電池材料之一。其最終應用的關鍵之一在于發展低成本的合成方法,制備在空氣中穩定的純立方相FeS2材料。最近,納米實驗室研究人員成功發展了一種基于溶液相定向聚集途徑制備空氣中穩定的、純立方相FeS2微、納米材料的方法。研究發現通過溶劑誘導可以可控地制備出類球形FeS2納米晶、FeS2納米立方體,以及由FeS2納米晶組裝的微米球等材料。利用球差矯正電鏡等技術清晰地表征了FeS2初始納米晶粒定向聚集的生長過程。拉曼光譜的系統研究表明通過選擇合適的溶劑可以獲得暴露在空氣中穩定至少1年以上的多種形貌FeS2材料,為進一步研究基于FeS2材料的低成本薄膜太陽能電池奠定了基礎(J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2211)。

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