顶刊动态｜AM/JACS等太阳能电池近期学术进展汇总【新能源周报160725期】
太阳能是一种具有良好应用前景的清洁能源，也是当今新能源领域的研究热点，各种利用太阳能的器件不断诞生，其中，太阳能电池是最为成熟的应用，与此同时，科学家们也在不断地改善太阳能电池的性能，各种类型的太阳能电池也应运而生，包括钙钛矿太阳能电池、聚合物太阳能电池等。下面，让我们一起来看看本周在各大顶级期刊上有哪些太阳能电池的最新研究进展吧。
1.Advanced Materials：利用盐酸辅助在室温下沉积高效稳定的钙钛矿太阳能电池
图1. a)电池的SEM截面图. b) J-V曲线. c)25 s内电流密度和转换效率的变化. d)电池的外量子效应曲线. e)大面积电池的J-V曲线
近些年来，钙钛矿太阳能电池的效率已经从3%提升到20%以上，目前最大的难题是电池的稳定性。虽然覆盖一层多孔层或者致密的电荷提取层可以有效地提高其在空气中的稳定性，然而，钙钛矿层本身在空气中还是不稳定的。
最近，北京大学分子科学国家实验室徐东升教授（通讯作者）的课题组发明了一种可以在室温下利用盐酸辅助和旋涂的方法制备具有大晶粒、平滑、覆盖率高的钙钛矿薄膜。该薄膜使得钙钛矿太阳能电池的效率达到17.9%并且具有优异的稳定性，在空气中存储30天后效率仍可保持16.9%。如图a是电池的结构。
这个制备方法由于其简便和制得薄膜的高稳定性有望投入实际应用，并且室温下进行的工艺也有望应用于柔性衬底。
2.Advanced Materials：用于高效聚合物太阳能电池的低带隙小分子受主
图2. a) J–V曲线. b) 电池的EQE曲线. c) 光强度的依赖性. d) 光电流-有效电压曲线
在过去两年，非富勒烯聚合物太阳能电池的光电性能已经赶超了富勒烯基太阳能电池。由于聚合物施主和低带隙非富勒烯受主的结合可以形成一个低带隙的体异质结，因此，低带隙非富勒烯受主的设计和合成成为了一个热点。
最近，中科院高分子物理与化学国家重点实验室的侯剑辉教授（通讯作者）课题组设计并合成了一种低带隙的受主材料（IEICO），这种材料由于引入了烷氧基，使得带隙只有1.34 eV。以PBDTTT-E-T作为施主，IEICO材料作为受主的非富勒烯基聚合物太阳能电池的转换效率达到了8.4%，开路电压为0.82Ｖ，其串联电池的效率高达10.7%。
这种材料为低带隙、非富勒烯基、高开路电压的受主的分子设计提供了可能。
文献链接：Design and Synthesis of a Low Bandgap Small Molecule Acceptor for Efficient Polymer Solar Cells
3.Advanced Materials：效率高达11%的三元有机太阳能电池
图3. a) 电池中使用的各种材料的能级. b) PTB7薄膜和DPPEZnP-THE薄膜的紫外光吸收光谱
多元混合物有机太阳能电池与传统异质结相比具有诸多优异的性能，适用于单层器件，并且可以串联以提高性能。然而，近红外区的吸收仍然是一个挑战，这依赖于界面处的电荷提取，而目前相关的研究仍较缺乏。
最近，华南理工大学发光材料与器件国家实验室的谢增旗、彭小彬教授（通讯作者）以及南方科技大学的Thomas P. Russell教授（通讯作者）课题组制备了一种三元有机太阳能电池，通过近红外增感和界面工程，其电池效率高达11.03%，三元化合物的光吸收提高了短路电流，小分子DPPEZnP-THE增加了近红外敏感，ZnO:PBI-H作为光阴极降低了载流子的重组和提高了电荷的提取，从而使电池性能获得了显著的提升。如图为电池结构。
该课题组正在研究性能更好的施主聚合物，将有望使电池效率进一步提高。
4.Advanced Materials：使用中带隙施主和低带隙受主的高效非富勒烯聚合物太阳能电池
图4. a) 电池结构. b) 聚合物J50、J51和ITIC的化学结构. c) J51和ITIC薄膜的吸收光谱
目前聚合物太阳能电池的受体材料主要是使用富勒烯衍生物，但是富勒烯材料仍具有诸多缺点，如可见光的吸收差等。n型有机半导体材料（n-OS）的优异性能使得它有望取代富勒烯材料。
最近，北京大学分子科学国家实验室的李永舫、Zhi-Guo Zhang教授（通讯作者）课题组以及伯克利劳伦斯国家实验室的Feng Liu教授（通讯作者）课题组使用了一种非富勒烯共聚物材料J51（如图）作为中带隙施主材料和ITIC（如图）作为低带隙受主材料，J51/ITIC结构可以吸收300到780纳米的光波（J51吸收短波段，ITIC吸收长波段），而且具有相互匹配的电子能级和较高的载流子迁移率，使得其电池效率高达9.26%。
该项研究表明非富勒烯聚合物太阳能电池具有良好的前景。
文献链接：High-Efficiency Nonfullerene Polymer Solar Cells with Medium Bandgap Polymer Donor and Narrow Bandgap Organic Semiconductor Acceptor
5.JACS：通过引入CH3NH3PbBr0.9I2.1量子点增强钙钛矿太阳能电池的性能
图5. (a) 电池结构的示意图. (b) 电池中使用的各种材料的能级. (c) 电池制备过程的示意图. (d) 电池的SEM截面图.
有机-无机杂化钙钛矿材料最近获得了很多的关注，尽管羟乙基甲基铅卤化物钙钛矿太阳能电池的效率已经达到了19.3%，但是界面电荷的传输仍然有待提高，其中引入量子点是比较主流的解决方案。
最近，复旦大学能源材料化学协同创新中心的王忠胜及郑耿锋教授（通讯作者）课题组通过在钙钛矿层空穴传输层之间引入MAPbBr3−xIx量子点来改善平面异质结钙钛矿太阳能电池的光伏性能。通过调节Br和I的比例，可以调节价带边缘的位置，当MAPbBr3−xIx的价带的边缘位于MAPbI3和空穴传输层的HOMO能级之间时，空穴的传输将极大的改善，电池效率也将得到提高，最佳比例为CH3NH3PbBr0.9I2.1。
这项工作将激发钙钛矿太阳能电池界面调制的新方法。
6.ACS NANO：利用ZnTe光阴极和钙钛矿太阳能电池串联制备人工光合作用器件
图6. (a) 串联电池结构示意图. (b) 两种物质的吸收光子图. (c) 三种物质的光电转换效率. (d) J−V曲线. (e) 3h内光电流、CO和H2产量变化. (f) 3h内CO和H2的法拉第效率
模仿自然的光合作用将CO2转化为可用能源的方法近些年来获得了极大的关注。该类能源的燃烧会产生大量CO2，人们希望直接用太阳能和水来进行能量转化，而目前的光能转化多是通过水分解转化为H2。
最近，韩国浦项工科大学的Jae Sung Lee教授（通讯作者）以及韩国科学技术研究所Min Jae Ko教授（通讯作者）课题组将ZnO-ZnTe-CdTe三层纳米棒阵列光阴极加入到钙钛矿太阳能电池中并串联起来，光阴极位于前面可以高效地吸收高能（>2.14eV）光子，钙钛矿太阳能电池位于后面可以高效地吸收低能（>1.5eV）光子，该系统实现了太阳能-CO的能量转化，转化效率超过0.35%。
随着效率进一步提升，这种串联结构器件十分有希望成为人工光能转化的里程碑式进展。
7. Advanced Energy Materials：改变三维结构设计出新的钙钛矿空穴传输层材料
图7. a) 电池结构. b) 电池中各种物质的能级. c–f) 混合离子钙钛矿、spiro-OMeTAD、H11和H12的SEM表面形态图
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池近年来发展迅速，其中，空穴传输材料（HTM）和电子传输材料扮演了重要的角色，为了研究出廉价高效的空穴传输材料，人们尝试使用了有机小分子、聚合物和无机盐等多种材料，其中，有机小分子材料是研究的主流。
最近，瑞典乌普萨拉大学的M. J. Johansson、孙立成教授（通讯作者）课题组及瑞典化学科学与工程研究所的Anders Hagfeldt教授（通讯作者）课题组设计了两种有机小分子材料H11和H12，H11用C-C键连接，H12用C=C键连接，取代了传统HTM的spiro连接方式，改变了HTM的3维结构，降低了原子垂直排列的程度，得到了更为均匀的薄膜，其中H11材料具有高效的空穴传输性能。
因此，H11材料将有望成为传统空穴传输材料Spiro-OMeTAD的替代材料。
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