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2017年太阳能电池领域的十大关键突破

太阳能电池,可以将清洁、可持续的太阳能转化为电能供人们使用。太阳能电池的种类非常之多,其相关的研究在全球科研范围内也是一个非常重要的研究热点。本文将分类列举2017年太阳能电池(光伏)领域的十大关键突破。(注:2016年光伏领域的关键突破可点击这里阅读:上部下部


钙钛矿太阳能电池领域


(一)钙钛矿太阳能电池效率新纪录



韩国蔚山国立科学技术研究所(UNIST)的Sang Il Seok教授等人发现通过向有机离子溶液中引入额外的碘离子,随后通过分子内交换过程制成的钙钛矿薄膜可以明显降低深层次的缺陷态浓度。基于此技术,制备了认证效率达22.1%的钙钛矿太阳能电池,而在该论文报道出之前好久,Newport的光伏效率表上就已经更新到了22.1%,这也是当今能量转换效率最高的钙钛矿电池之一(点击阅读详细)。


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Iodide management in formamidinium-lead-halide–based perovskite layers for efficient solar cells

Woon Seok Yang, Byung-Wook Park, Eui Hyuk Jung, Nam Joong Jeon, Young Chan Kim, Dong Uk Lee, Seong Sik Shin, Jangwon Seo, Eun Kyu Kim, Jun Hong Noh, Sang Il Seok

Science, 2017, 356, 1376-1379, DOI: 10.1126/science.aan2301


(二)大面积钙钛矿薄膜制备新方法



上海交通大学Liyuan Han(韩礼元)教授团队报道了一种不用溶剂、不用真空的新型沉积技术,可以为高效钙钛矿电池模块制备大面积钙钛矿薄膜。该方法为钙钛矿电池的大规模生产提供了非常好的思路。


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A solvent- and vacuum-free route to large-area perovskite films for efficient solar modules

Han Chen, Fei Ye, Wentao Tang, Jinjin He, Maoshu Yin, Yanbo Wang, Fengxian Xie, Enbing Bi, Xudong Yang, Michael Grätzel, Liyuan Han

Nature, 2017, 550, 92-95, DOI: 10.1038/nature23877


(三)低成本高性能的无机空穴传输材料



瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)Michael Grätzel教授团队利用CuSCN作为空穴传输材料,制备了光电转换效率超过20%的钙钛矿太阳能电池器件。并将器件在60 ℃下加热1000小时,仍然可以保持最初效率的95%。这预示着有机空穴传输材料可以被价廉的无机材料所替代,而钙钛矿电池的成本又将大幅降低(点击阅读详细)。


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Perovskite solar cells with CuSCN hole extraction layers yield stabilized efficiencies greater than 20%

Neha Arora, M. Ibrahim Dar, Alexander Hinderhofer, Norman Pellet, Frank Schreiber, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Michael Grätzel

Science, 2017, 358, 768-771, DOI: 10.1126/science.aam5655


有机太阳能电池领域


(四)非富勒烯有机太阳能电池的突破



中国科学院化学研究所Jianhui Hou(侯剑辉)研究员团队报道了基于PBDB-TSF:IT-4F作为活性层的单层有机太阳能电池,其光电转换效率可以达到13.1%,认证效率也高达13%。由此,有机太阳能电池迈入13%的门槛,而且还明显展现了非富勒烯受体材料的优势,为非富勒烯有机太阳能电池的进一步发展提供了很好的借鉴。


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Molecular Optimization Enables over 13% Efficiency in Organic Solar Cells

Wenchao Zhao, Sunsun Li, Huifeng Yao, Shaoqing Zhang, Yun Zhang, Bei Yang, Jianhui Hou

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 7148-7151, DOI: 10.1021/jacs.7b02677


(五)三元共混策略带来的效率新记录



国家纳米科学中心的Liming Ding(丁黎明)研究员团队利用三元共混策略,基于PTB7-Th、COi8DFIC、PC71BM三个材料作为活性层制备的器件效率高达14.08%,这是迄今报道的效率最高的有机太阳能电池的单层器件,也同时展现了三元共混策略的优势。


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Ternary organic solar cells offer 14% power conversion efficiency

Zuo Xiao, Xue Jia, Liming Ding

Sci. Bull., 2017, 62, 1562-1564, DOI: 10.1016/j.scib.2017.11.003


(六)有机叠层器件的高效率



中国科学院化学研究所Jianhui Hou(侯剑辉)研究员团队,基于PTB7-Th:IEICO-4F作为后电池、J52-2F:IT-M作为前电池制备了有机叠层器件,器件的光电转换效率高达14.9%,其认证效率高达14%。这是有机太阳能电池领域的最高光电转换效率,为有机太阳能电池光电转换效率进一步提升提供了很好的思路及信心。


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Organic Solar Cells with an Efficiency Approaching 15%

Yong Cui, Hui-feng Yao, Chen-yi Yang, Shao-qing Zhang, Jian-hui Hou

Acta Polym. Sin., 2017, DOI: 10.11777/j.issn1000-3304.2018.17297


有机电池-钙钛矿电池杂化电池


(七)两种电池“双剑合璧”



美国华盛顿大学Alex K-Y Jen教授团队将有机太阳能电池与钙钛矿太阳能电池简单结合在一起,克服了钙钛矿电池在近红外区的吸收缺陷,制备了有机太阳能电池-钙钛矿太阳能电池杂化电池,其效率可高达19%。该类电池获得较高光电转换效率的可行性为钙钛矿太阳能电池进一步突破效率记录提供了一种简单可行的思路(点击阅读详细)。


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Highly Efficient Porphyrin-Based OPV/Perovskite Hybrid Solar Cells with Extended Photoresponse and High Fill Factor

Ke Gao, Zonglong Zhu, Bo Xu, Sae Byeok Jo, Yuanyuan Kan, Xiaobin Peng, Alex K.-Y. Jen

Adv. Mater., 2017, 29, 1703980, DOI: 10.1002/adma.201703980


染料敏化电池领域


(八)固态染料敏化太阳能电池再获佳绩



瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授团队利用两类铜配合物作为空穴传输材料,制备了固态染料敏化太阳能电池,其光电转换效率高达11%,这是固态染料敏化电池的最高光电转换效率。而且,该电池具有较好的稳定性。这将大大促进科研圈研究价廉、稳定的固态染料敏化太阳能电池的热潮。


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11% efficiency solid-state dye-sensitized solar cells with copper(II/I) hole transport materials

Yiming Cao, Yasemin Saygili, Amita Ummadisingu, Joël Teuscher, Jingshan Luo, Norman Pellet, Fabrizio Giordano, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Jacques -E. Moser, Marina Freitag, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel

Nat. Commun.,2017, 8, 15390, DOI: 10.1038/ncomms15390


(九)室内光照条件下的超高效率



瑞士洛桑联邦理工学院Anders Hagfeldt教授团队设计出了一类新型的染料敏化太阳能电池策略。通过综合两种特定的敏化材料,可以使得入射光在整个可见光范围内得以吸收。在AM 1.5G太阳光下,光电转换效率可以达到11.3%。然而,在1000勒克斯的室内光照下,其光电效率可以达到28.9%,其输出功率相当于88.5 µW cm-2。就效率及成本来讲,如果在室内光照条件下,该类策略可以超过其他的光伏技术(包括GaAs光伏技术)。这为人们研究适用于室内或者室外某些场景的光伏技术提供了很好的借鉴。


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Dye-sensitized solar cells for efficient power generation under ambient lighting

Marina Freitag, Joël Teuscher, Yasemin Saygili, Xiaoyu Zhang, Fabrizio Giordano, Paul Liska, Jianli Hua, Shaik M. Zakeeruddin, Jacques-E. Moser, Michael Grätzel, Anders Hagfeldt

Nat. Photon., 2017, 11, 372-378, DOI: 10.1038/nphoton.2017.60


硅电池领域


(十)传统硅基电池,效率逼近理论极限



日本Kaneka corporation的Kunta Yoshikawa团队利用工业兼容的方法制备了大面积的硅太阳能电池,综合利用了无定型硅/结晶硅异质结。其中180.4 cm2的器件效率可以高达26%,这也是世界硅电池领域的最高效率,比之前的最高效率提升了2.7%,逼近硅电池的理论效率极限。这一成果对晶硅产业和对光伏发电行业都有极大的提升及鼓舞作用!


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Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for a photoconversion efficiency over 26%

Kunta Yoshikawa, Hayato Kawasaki, Wataru Yoshida, Toru Irie, Katsunori Konishi, Kunihiro Nakano, Toshihiko Uto, Daisuke Adachi, Masanori Kanematsu, Hisashi Uzu, Kenji Yamamoto

Nature Energy, 2017, 2, 17032, DOI:10.1038/nenergy.2017.32


本文总结了2017年各类太阳能电池领域的重要突破,众星闪耀,成果斐然。所有的突破的最终目标都还是产业化,让我们期待有更多的光伏技术能走向人们的生活。


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