《Nano Energy》《ACS Applied Materials & Interfaces》刊发数字制造装备与技术国家重点实验室史铁林、廖广兰、汤自荣研究团队文章

作者:刘智勇       发布于:2017-06-29 09:32:00       浏览次数:2779次

6月12日纳米领域权威期刊《Nano Energy》在线刊发了我院数字制造装备与技术国家重点实验室史铁林、廖广兰、汤自荣教授研究团队关于钙钛矿太阳能电池与热电模块集成的研究论文“Novel Integration of Carbon Counter Electrode Based Perovskite Solar Cell with Thermoelectric Generator for Efficient Solar Energy Conversion。博士生刘智勇及博士后孙博为论文共同第一作者,廖广兰教授为通讯作者。

   太阳能是“取之不尽、用之不竭”的清洁能源,是很好的替代煤炭、石油等的新能源和可再生能源。2009年Miyasaka等在研究敏化太阳能电池过程中首次使用具有钙钛矿结构的有机金属卤化物CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3作为敏化剂,拉开了钙钛矿太阳能电池研究序幕。随后短短几年内,钙钛矿太阳能电池技术取得了突飞猛进发展,目前经美国可再生能源国家实验室认证的钙钛矿太阳能电池最高能量转换效率已达22.1%,达到目前技术比较成熟的CuInGaSe薄膜太阳能电池水平。其核心光电转换材料具有廉价、可溶液制备特点,也为钙钛矿太阳能电池的大规模、低成本制造提供了可能,使之成为了现有商业太阳能电池最有潜力的竞争者。当前,受能级限制,钙钛矿太阳能电池主要利用的是可见光谱范围(400-800 nm),太阳光谱中还有很大一部分(尤其是红外光)没有得到充分利用。

数字制造装备与技术国家重点实验室史铁林、廖广兰、汤自荣教授研究团队前期在光解水制氢、光探测、染料敏化及钙钛矿太阳能电池等领域开展了一系列研究工作,提出了一种以实现太阳光能有效利用的基于碳电极钙钛矿太阳能电池与热电模块的新型集成器件。钙钛矿太阳能电池的碳对电极有很强的吸光性,能有效将吸收的红外光转化成热,具有良好的光热转化性能。该集成巧妙利用了碳电极这一特性,有效实现了碳电极吸收红外光照所产生热能的再利用,将热能转化为电能再加成到太阳能电池上,增强了器件的整体输出,拓宽了太阳光谱利用范围,提高了太阳光能的利用率。通过对热电模块的冷端进行降温处理,在AM1.5G标准太阳光下,该集成器件可达1.87 V的开路电压、22.2%的光伏+光热电转化率以及22.2 mW cm-2的最大输出功率。即使在室温环境下,器件综合光电转化率也可提升27%。该项工作为高效、宽光谱吸收、多功能集成光伏器件的开发与研制提供了新思路。

文章链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517303701

当月14日,材料领域权威期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》在线刊发了我院数字制造装备与技术国家重点实验室史铁林、廖广兰、汤自荣教授研究团队关于钙钛矿太阳能电池与超级电容器集成的研究论文Novel Integration of Perovskite Solar Cell and Supercapacitor based on Carbon Electrode for Hybridizing Energy Conversion and Storage。博士生刘智勇、仲艳为论文共同第一作者,廖广兰教授为通讯作者。

   钙钛矿太阳能电池凭借较高的转化效率在光伏领域展现了极大的发展潜力,而稳定的能量输出将是决定其能否成功应用并最终产业化的最重要原因之一。实际应用中白天黑夜的循环、气候日照的变化都会导致太阳能电池的能量输出产生剧烈波动,实现太阳能的光电转换与电能及时储存具有非常重要的意义,而光电能量转换与能量储存器件的有效集成将是太阳能电池提供稳定能量输出、推广太阳能电池应用的重要途径,尤其在能量要求不高、户外需要移动充电的柔性可穿戴电子产品上具有非常好的应用前景。超级电容器是具有功率密度高、可快速充放电、循环寿命长、可靠性高等优点的新型储能器件,受到了广泛重视。超级电容器在很小体积下就能够达到法拉级电容量;无须特别充电电路和控制放电电路;和锂电池相比,过充、过放都不会对其寿命产生负面影响;从环保角度考虑,是一种绿色能源。如果能有效集成钙钛矿太阳能电池与超级电容器,将极大促进基于钙钛矿太阳能电池的微能源器件研究,推动相关技术在电子产品上的应用。

数字制造装备与技术国家重点实验室的史铁林、廖广兰、汤自荣教授研究团队在钙钛矿太阳能电池与超级电容器的集成方面开展了一系列研究工作,提出了将碳电极钙钛矿太阳能电池与碳基超级电容器纵向集成以实现能量转化与存储统一的集成方式。钙钛矿电池与超级电容器采用共同的碳电极,中间采用石墨纸进行间隔以防止超级电容器的凝胶电解质对钙钛矿光敏层产生破坏。并联集成时,在0.071 cm2的光照下,器件能达到76%的能量存储效率以及5.26%的整体能量转化率。串联集成时,通过对超级电容器预充电,能得到加强的瞬时能量输出。该项工作为钙钛矿太阳能电池的发展与应用提供了一条可行途径。

 文章链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b01471

    以上工作均得到了国家自然科学基金 (51675210 and 51222508) 以及中国博士后科学基金(2016M602283)的资助。