全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池與水蒸汽化“敵”為“友”

引言

近年來，基于CsPbBr3的無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池（PSC）由于具有優(yōu)異的熱學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性受到了科研人員的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，與有機(jī)-無機(jī)雜化PSC相比，全無機(jī)CsPbBr3太陽能電池可以在相對(duì)濕度90%以上的空氣環(huán)境中保持穩(wěn)定。已開發(fā)的無機(jī)PSC只能將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，而對(duì)周圍環(huán)境中的水蒸汽能等其它能量不能吸收利用。水蒸發(fā)是實(shí)現(xiàn)水循環(huán)的關(guān)鍵過程，在此期間釋放出巨大的水蒸汽能。如何在不增加電池成本的前提下，實(shí)現(xiàn)無機(jī)PSC的多能集成應(yīng)用是當(dāng)前光伏研究領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題之一，尤其使PSC器件與水蒸汽化“敵”為“友”更是實(shí)現(xiàn)最大能量收集的難題。

成果簡(jiǎn)介

近日，暨南大學(xué)唐群委教授（通訊作者）設(shè)計(jì)了一種基于碳電極的無空穴全無機(jī)PSC器件，利用碳電極巧妙地實(shí)現(xiàn)器件同時(shí)捕獲太陽能與水蒸汽能。其基本原理是在太陽光照時(shí)，碳電極可以提取CsPbBr3產(chǎn)生的光生空穴，實(shí)現(xiàn)電子-空穴對(duì)的有效分離；而在高濕環(huán)境中，碳電極又與水蒸汽間的水伏效應(yīng)產(chǎn)生額外的電壓與電流，實(shí)現(xiàn)水汽誘導(dǎo)發(fā)電。通過優(yōu)化電池的能級(jí)結(jié)構(gòu)以及碳電極的表面結(jié)構(gòu)，該全無機(jī)PSC在標(biāo)準(zhǔn)太陽光照條件下獲得9.43%的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)在80%的相對(duì)濕度下可以獲得0.35 V電壓和0.45 μA電流。由于無機(jī)鈣鈦礦CsPbBr3具有非常優(yōu)異的穩(wěn)定性，因此該電池仍可以在該濕度下保持非常優(yōu)異的穩(wěn)定性，對(duì)多能集成光伏電池的發(fā)展提供了新的思路。相關(guān)成果以“Carbon Electrode Tailored All-Inorganic Perovskite Solar Cells To Harvest Solar And Water-Stream Energies”為標(biāo)題發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition雜志上。

圖文簡(jiǎn)介

圖1.能同時(shí)捕獲太陽能和水蒸汽能的全無機(jī)PSC器件結(jié)構(gòu)和電荷傳輸示意圖

圖2.無機(jī)CsPbBr3薄膜的形貌、全無機(jī)PSC的光伏性能以及水蒸汽發(fā)電性能

（a）CsPbBr3和（b）碳電極的表面SEM圖。

（c）全無機(jī)PSC的SEM斷面圖。

（d）全無機(jī)PSC的J-V曲線。

（e）全無機(jī)PSC的效率分布。

（f）碳電極經(jīng)不同等離子處理時(shí)間后的水蒸汽誘導(dǎo)電壓信號(hào)。

（g）碳電極經(jīng)不同等離子處理時(shí)間后的水蒸汽誘導(dǎo)電流信號(hào)。

圖3.碳電極在不同濕度環(huán)境下的發(fā)電能力和穩(wěn)定性

（a）電壓和（b）電流隨濕度的變化曲線；

（c）電壓和（d）電流在RH= 80%的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖4.全無機(jī)PSC器件的穩(wěn)定性

（a）CsPbBr3薄膜在RH= 80%下的紫外-可見吸收光譜曲線，以及（b）515nm處的吸收峰強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。

（c）~（f）光伏參數(shù)在RH= 80%下的穩(wěn)定性。