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福州大学程树英教授Nat Commun:新型对称的双面柔性CZTSSe薄膜太阳能电池及其室内光伏应用

室内光伏发电是通过吸收利用生活中灯光达到节能环保的目的,促进智能住宅产业的发展。柔性Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) 薄膜太阳能电池具有绿色环保、成本低廉、稳定高效的特点,在室内光伏市场具有巨大的发展潜力。由于室内光照较弱且具有多方向性,能量的收集和利用变得尤为困难,传统结构的太阳能电池应用范围受限。福州大学程树英教授团队提出的双面对称的柔性CZTSSe薄膜太阳能电池,不仅具有优良的弱光性能和柔性无毒的特点,而且能够有效收集来自于四面八方的光线,从而实现室内光伏装饰一体化的设想,为新型室内光伏应用产品的发展提供方案。

图1.(a)双面CZTSSe的室内光伏应用设计;(b)器件照片和结构示意图。图片来源:Nat. Commun.


该光伏器件具有双面对称结构(Ag / ITO / ZnO / CdS / CZTSSe / MoSe2 / Mo / MoSe2 / CZTSSe / CdS / ZnO / ITO / Ag)。该器件关键之处为采用了60微米厚、高导电性的Mo箔作为衬底,完美兼容了传统CZTSSe体系及工艺,不仅具有足够强度来支撑两侧的多层薄膜,而且显示出高的弯曲性能。在制作过程中,创新地采用两侧同步交替沉积的方式,衬底清洗、自旋涂层、退火、硒化和化学水浴沉积等工艺通过一次性的实验制备得到两侧薄膜,保持了两面的一致性,还节省了时间和成本。

图2.(a-c)柔性CZTSSe电池正反面器件性能;(d-f)弱光下器件性能。图片来源:Nat. Commun.


通过对性能的优化,该器件在标准太阳光下两面的效率分别为9.3%和9%,器件两面的性能基本一致,在柔性CZTSSe薄膜电池领域处于国际领先水平。为了适应室内的应用环境,检测了器件在弱光下的性能特性,在1.5-18.5 mw/cm2弱LED照明下,器件的效率也达到6-8.8%,短路电流密度保持线性关系。另外,在50°角状态下弯曲3000次后,器件的两面同时承受拉伸和挤压应力,双面柔性CZTSSe电池可以保持原有效率的95%以上,完全满足室内柔性装饰的使用要求。


由于Mo箔是良好的导体,双面CZTSSe太阳能电池共用了同一衬底,易实现两端的并联。正反面分别采用1个太阳光和0.3倍太阳光照射,并联电路的输出短路电流为8.7 mA,实现前电池(7.0 mA)和后电池(2.1 mA)的电流叠加,损耗<5%。该双面器件可直接利用全方位光,通过衬底旋转产生周期性的可变电流,显著提高了面积利用率。由此可见,该双面柔性CZTSSe太阳能电池的两侧都能吸收光照而发电,并且在弱光下也保持良好转换效率,可被制作成不同形状的室内装饰的移动充电装置,实现室内光伏装饰一体化,具有较大的应用前景。


近期这一成果发表在Nature Communications 上,福州大学硕士生导师邓辉博士为该论文的第一作者,福州大学程树英教授为通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Novel symmetrical bifacial flexible CZTSSe thin film solar cells for indoor photovoltaic applications

Hui Deng, Quanzhen Sun, Zhiyuan Yang, Wangyang Li, Qiong Yan, Caixia Zhang, Qiao Zheng, Xinghui Wang, Yunfeng Lai & Shuying Cheng 

Nat. Commun., 202112, 3107, DOI: 10.1038/s41467-021-23343-1


程树英教授团队介绍



程树英教授、博士、博士生导师,福州大学教学名师,宝钢优秀教师奖获得者。福州大学物理与信息工程学院副院长,福建省光伏行业技术开发基地、福建省博导团队“微纳器件及其智能化应用”和国家一流专业“电子科学与技术”建设点负责人;福州大学学术委员会和学位委员会委员,微电子学与固体电子学博士点负责人;中国微米纳米学会理事,中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术学会常务理事,中国电子教育学会研究生教育分会理事,中国电子学会真空分会委员。主要从事光电薄膜材料与器件、薄膜太阳电池、光伏系统及应用等方面的研究,作为项目负责人完成3项国家基金和10多项省部级科研项目以及多项校企合作项目,目前承担1项国家基金和多项省部级科研项目。在Nature Communications, Nano Energy, Solar RRL, Applied Energy等刊物上发表学术论文160余篇,其中SCI或EI收录120余篇,论文曾获第九届福建省自然科学优秀学术论文二等奖;申请发明专利70余件,授权60余件。获得福建省教学成果特等奖和二等奖各1项;指导学生参加国家级、省级和校级创新项目10多项,指导学生在各类创新创业大赛中获得佳绩,包括国家级特等奖1项、一等奖(金奖)2项、二等奖2项,以及省级一、二等奖多项,并在国家级奖项中多次获得优秀指导老师和最佳指导老师等称号。



邓辉,博士、硕士生导师、福州大学校聘副教授,福建省C类人才。2019年6月在华中科技大学武汉光电国家研究中心获得博士学位。长期从事半导体材料与器件方面的研究,主要研究锑基铜基薄膜太阳能电池和光电探测器。目前承担1项国家基金和多项省级科研项目。发表SCI论文30余篇,H因子20。其中一作或通讯作者发表SCI论文9篇,授权专利3件,包括Nature Communications、Nano Letters、Advanced Functional Materials等材料及光伏领域的高水平期刊,两篇被评为ESI高被引论文。


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