新兴的光伏技术的现状:涂料的比较研究,有机的,钙钛矿太阳能电池

文摘

即将常规能源的消耗,激励可再生能源技术的进步。色素增感太阳能电池第三代光伏技术,如(DSSCs),有机太阳能电池(osc)和钙钛矿太阳能电池(已经),正在开发替代硅太阳能电池。近年来,已经有相当大的兴趣在这些新兴光伏市场发展的技术,特别是对于可持续发展太阳能的应用程序。然而,这些技术还没有达到所需的成熟度大规模商业化。需要进一步研究以提高这些设备的效率和稳定性,同时保持他们的生产成本降到最低。在这项研究中,比较评估DSSCs, osc,已经被认为是和当前状态的艺术很有前途的技术研究。先进技术和研究趋势从小说的角度检查材料,设备造型、结构和创新的设备。的比较优势和局限性这些光伏技术评估的设备效率、耐用性、易于制造,性价比。强调评估这些太阳能电池技术的潜在可持续太阳能应用。最后,这些技术特色,未来的前景和途径取得进展超出艺术探索的状态。

1。介绍

化石燃料资源却在迅速消耗将增加全球能源需求。据估计,全球化石燃料储备只能40年来对石油、天然气的60年,200年煤炭(1]。太阳能是一种很有前途的替代传统能源,提供能量的来源是可持续和环境友好。光伏市场经历了快速增长在过去的二十年里,到目前为止,它主要是由硅基太阳能电池2]。然而Si-based光伏电池的成本很高,和大规模工业生产的技术需要大量的处理3]。

第三代色素增感太阳能电池等光电技术(DSSCs),有机太阳能电池(osc)和钙钛矿太阳能电池已经被开发作为替代硅太阳能电池(4]。近年来,已经有越来越多的科学兴趣,这些新兴的光伏技术的发展和他们的权力转换效率(pc)大幅增加,如图1。

新兴的太阳能电池技术的成功商业化但是不能完全基于实现高功率转换效率(pc)。这些技术也需要成为与传统发电成本竞争力。光伏(PV)的成本效益的部署系统是基于以下关键需求(6]:(我)最小系统成本(2)最大的最初的性能(3)随着时间的推移最低损失的性能

这些新兴的光伏技术,尽管承诺可持续太阳能应用,尚未实现大规模商业化(7]。研究工作的重点是提高这些设备的效率和寿命,结合使用低成本的材料和流程。

在本文中,我们提出一个比较评估以下光电技术:涂料太阳能电池,钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池。本论文的第一部分提供了一个介绍的三个新兴技术和突出的需求需要满足大规模商业化。部分2- - - - - -4给这些技术的深入分析,从DSSCs开始,继续已经被,与osc和关闭。审查的主要部分是基于三个主要支柱,用于描述和比较这些新兴技术:他们的现状,未来的前景,和可持续应用程序。节2的审查,一个简短的历史概述的这些技术。主要设备属性和功能也在第二部分以及常见的材料和方法用于每个太阳能电池技术的发展。论文的第三部分介绍了当前最先进的三种新兴技术的进展和讨论的主要挑战需要解决的商业化,以及未来的研究趋势的重点在新材料方面,设备造型,和创新的设备结构。最后,每一个技术的潜在可持续太阳能应用程序和产品提出了部分4。图2概述了本文的结构和主要特点,包括的主要来源的文献中提到的每个部分。

在创意方面的工作,这是第一篇综述,提供深入的比较评估DSSCs,已经被,和osc强调他们的表现,进步超越艺术的状态,和商业化潜力。本文强调最近的科学进步不仅提高效率而且这些设备的稳定性和持久性。创意和科学感兴趣的一个额外的元素通过讨论提出了需要解决的问题,以实现大规模商业化这些新兴技术和研究未来研究进展可能提供解决这些问题的办法。比较评估潜在的应用和产品也在进行,目的是确定这些新兴技术是否适合各种可持续太阳能应用,从衣物和小规模设备大规模应用,如车辆和建筑物。

2。当前的状态

2.1。涂料的太阳能电池

Gratzel开创性工作以来,在1991年奥雷根(8色素增感太阳能电池(DSSCs)],最高的效率约为13% (9,10)获得了相当大的关注效率高,他们的潜在的低成本,简单的装配工艺。

DSSCs,可见光转换的电能是通过宽禁带半导体的光谱敏感如TiO₂、氧化锌和SnO₂(11]。与染料的敏化半导体吸收太阳辐射,需要提高他们的能力将电子注入到半导体的导带(12]。入射光吸收染料敏化半导体表面分子,导致激发单重态的染料。染料分子的激发是那么紧随其后界面电子转移(专业)半导体的导带(图3(一个))。

DSSCs、铂金或platinised反电极和使用液体,凝胶或固态电解质含有氧化还原电对填充两个电极之间的空间(13)(图3 (b))。的每一部分DSSCs大大影响设备效率。出于这个原因,研究工作一直专注于优化不仅单独设备的每一部分还设备的各个部分的相互关联(14]。图3(一个)显示了敏化过程和电荷转移机制DSSCs [12),而图3 (b)显示了色素增感太阳能电池的基本结构(13]。

光电阳极开发使用各种薄膜制备技术,如溶胶-凝胶法、水热、电纺的,和原子层沉积。广泛的半导体光电阳极用于DSSCs,如纳米颗粒、奈米棒,纳米管(15,16]。各种类型的电解质也被用于DSSCs。使用的电解质的主要类型是液体,准固态,固态电解质。电解质的类型影响设备效率和稳定性。液体电解质取得了最高的效率(10),但产生的细胞的生命周期是相当有限的。

染料敏化剂用于DSSCs在光收割起着非常重要的作用。许多染料已经旨在扩大DSSCs的吸收波长范围和增加细胞的整体效率。最有效的宽禁带半导体(nonperovskite)增敏剂是有机金属钌配合物,如N3 N719,和黑色染料,由于TiO的电荷转移效率高₂和可见光谱的光吸收17]。

2.2。钙钛矿的太阳能电池

最近,有机-无机杂化钙钛矿取得了可观的研究关注由于优势如高电子和空穴迁移率(60厘米²V⁻¹年代⁻¹),能带的可调性,长载体扩散长度(~ 1μ米)和低激子结合能(30 - 50兆电子伏)18]。除了这些优点之外,钙钛矿太阳能电池已经可以使用低成本的生产流程和材料,甚至可以制造柔性基板使用精密卷绕对位流程(9,19]。已经被这样有潜力成为效率最高,同时市场上成本最低的光电技术在未来几年内,甚至可以取代传统Si-based太阳能电池。主要的市场潜力已经被认为是迄今为止未知的,和前,需要进一步的研究这个技术将成为大规模商业化的足够成熟。

有机-无机杂化halide-based钙钛矿材料是一群ABX的结构₃,是一种有机阳离子(CH₃NH₃⁺或NH₂CH₃NH₂⁺是一个二价阳离子(Pb), B₂⁺或锡₂⁺),X是一个单价卤化物离子(我^{- - - - - -}、溴^{- - - - - -},或者Cl^{- - - - - -})[20.]。

钙钛矿太阳能电池最初色素增感太阳能电池的发展。2009年,小岛等人在液态TiO钙钛矿作为敏化剂使用₂DSSCs,取得了3.2%和3.8%的PCE设备敏感(CH₃NH₃)PbBr₃和(CH₃NH₃)PbI₃分别为(21]。两年后,即时通讯等人达成6.5%开发量子点太阳能电池使用效率(CH₃NH₃)PbI₃作为敏化剂(22]。然而,这些液态钙钛矿以来太阳能电池稳定性提出问题往往在液体电解质迅速降低。这个问题是解决金等人于2012年取代了液体电解质和固体材料spiro-MeOTAD(70 - 2, 20日7日tetrakis (N, N-di-pmethoxyphenylamine) 9日90 -斯皮罗bifluorene),作为空穴传输材料(HTM) [23]。这些固态设备实现了PCE的9.7%,增加了稳定性对PSC技术标志着一个突破。第一个PSC设备架构遵循DSSCs,钙钛矿材料的典型结构染料敏化剂的作用。设备架构那么先进的介观结构与电解液的更换上述固态空穴传输层。设备架构之后进化到平面与钙钛矿结构材料夹在电子和空穴传输层。图4显示各种PSC设备结构,包括传统n-i-p或反向形成p i n [18]。

飞秒瞬态吸收光谱进行了研究,以探讨电子注入在固态已经被动态。李和同事(24)相比,电子注入设备包含导电(TiO之间₂)和一个不导电(Al₂O₃)层。他们没有观察到这两种类型的细胞之间的显著差异甚至达到10.9%的效率₂O₃的设备,这表明一个电子注入层不需要在已经被电子转移可以发生在钙钛矿层。

在接下来的几年中,钙钛矿效率太阳能电池已经演示了一个令人瞩目的进展。2013年,organolead卤化物钙钛矿太阳能电池生产效率超过15%25,26]。一年之后,16.2%的PCE是通过使用混合溶剂优化钙钛矿层(27]。同年,周等人进一步优化钙钛矿层,通过降低缺陷密度的电影。他们用低温处理步骤来控制湿度,而钙钛矿电影由氯化铅和methylammonium碘化,取得了19.3%的最大电池效率(28]。最近,Saliba和同事(29日)结合无机钙钛矿层中的铯和生产triple-cation钙钛矿成分稳定输出功率的21.1% ~ 18%,在操作条件下250小时。今年,钙钛矿太阳能电池的能量转换效率超过25%已报告和认证5]。

2.3。有机太阳能电池

有机太阳能电池是一种低成本的替代硅太阳能电池,由于有机半导体的光学吸收系数较高,使开发的高效光伏设备层只有几纳米厚(30.]。由于聚合物通常是在液相中进行处理,可以利用简单的印刷和涂层技术的生产。有机太阳能电池有几个有前途的优点,比如他们的轻量级、表面积大、生产成本低、处理能力在柔性基板31日]。口服脊髓灰质炎疫苗的上述优势设备导致了它们的开发和增加兴趣,因此,相当大的进展改善他们的表现(32]。口服脊髓灰质炎疫苗的功率转换效率(PCE)从2009年的6%增加了(33)在十年内超过16% (34]。最近,效率超过18%报告和验证有机太阳能电池(5]。

有机太阳能电池的吸收层是基于某些有机半导体(OSC)。口服脊髓灰质炎疫苗的基本结构由光敏有机层由p型和n型半导体聚合物(图5)。有机材料成为导体或半导体,高水平的结合是必需的。最高占据分子轨道(homo)和最低未占据分子轨道(lumo)在这些材料对应各自的传统无机半导体的价带和导带(35,36]。之间的最高占据分子轨道(人类)和最低未占据分子轨道(OSC的LUMO)是一个能源缺口(半导体的能带隙)。高水平的结合降低了电子能带,并允许可见光激发的LUMO人类。

电子供体材料(p型聚合物)最初用于口服脊髓灰质炎疫苗包括保利(p-phenylenevinylene) (PPV),聚(2-methoxy-5 - (2-ethylhexyloxy) 1-4-phenylenevinylene) (MEH-PPV) [36),最近,聚(3-hexylthiophene) (P3HT) [37]。最常见的有机受体(n型有机半导体)口服脊髓灰质炎疫苗最初fullerene-based材料,如[6 6]-phenyl-C61-butyric酸甲酯(PCBM) [2]。

在大多数口服脊髓灰质炎疫苗的设备,保利(ethylenedioxythiophene)聚(styrenesulfonic酸)(PEDOT: PSS)是用于透明电极之间的转让洞和活跃层正常结构和金属电极之间的反向结构和活性层。PEDOT: PSS是空穴传输层(HTL)块电子而运输洞osc的透明阳极,从而提高电荷收集(2]。

表1展示了细胞比较效率和设备特征认证效率最高的迄今为止,DSSCs,已经,口服脊髓灰质炎疫苗,串联已经被5]。

3所示。未来的前景和挑战

3.1。涂料的太阳能电池

DSSCs效率没有显著增加在过去的几年里(见图1)。有几个原因缺乏进展DSSCs的面积,如材料固有的限制,接口和设备架构DSSCs [38]。也转变其他有前途的太阳能电池技术的科学兴趣,尤其是钙钛矿细胞,这被认为是DSSCs的继任者,因为钙钛矿材料最初是用作DSSCs增敏剂。然而,仍然有兴趣领域的未来发展DSSCs正在探索,目的是改善他们的表现。

最重要的一个问题,阻碍DSSCs商业化是稳定性较低39]。液体电解质含有氧化还原电对,如碘/三碘化,往往很容易蒸发,所以大量的固态电解质已经发展为了限制液体电解质的蒸发引起的稳定性问题(40,41]。在DSSCs,液体可以取代氧化还原电解质固体空穴传输材料为了使固态DSSCs [42]。有前景的结果报告等分子有机空穴导体spiro-MeOTAD, PEDOT等导电聚合物和金属配合物43]。聚合物凝胶电解质含有氧化还原夫妇(如聚(丙烯腈),聚(氯乙烯)和聚(偏二氟乙烯))被用作quasi-solid-state电解质克服液体电解质的蒸发和渗漏问题[44]。设备使用固体电解质所开发的相对稳定,但效率高与充满了液体电解质(PCE) 13.0%45]。最近的优化导致记录的效率11.7% (41]。此外,大量的密封技术和密封胶材料,如Surlyn®和Bynel®衬托,一直用来限制液体电解质的蒸发和提高设备寿命46]。

染料敏化剂的使用,大量的染料已经色素增感太阳能电池的开发和测试。正如上面提到的,在最有效的有机金属钌配合物染料增敏剂。不含金属的天然染料,如卟啉或香豆素类也被成功地应用在DSSCs半导体敏化的电影。这些染料不会产生效率高达那些通过使用钌配合物但更环保和较低毒性而Ru-based复合物。此外,许多研究工作的重点是合成色素增感太阳能电池的新型染料。许多小说DSSCs染料已经开发和测试,和有前景的结果,如咔唑,氟,indolin oligothiophene或boradiazaindacene——(BODIPY)基于染料(46]。

DSSCs应该全色,理想的敏化剂吸收所有光低于一个阈值波长约为920纳米。然而,每个单独染料的可见光谱吸收只有一小部分的太阳能辐射,从而限制的聚光能力的细胞。另外,cosensitization与两个或两个以上的染料、互补的吸收光谱,可以用来增加吸收的太阳能电池的范围。这导致光子转换成电子太阳光谱的更广泛的地区。Cosensitization从而增加事件photon-to-current效率(IPCE),因此当前产生的设备(47]。Cosensitization提高DSSCs的效率是一个成功的方法,和录音设备通常是基于多敏感太阳能电池(46,48]。左和同事(49)开发了一个混合的N3染料与少量的squarylium青蓝(SQC)。他们报道的增加TiO的效率₂细胞致敏染料混合超过10%,由于增加了染料再生染料混合。百胜和同事(50)也使用squaraine染料固态TiO进行宣传₂细胞与染料N877和报告的效率1.8%多敏感细胞,这是超过20%高于细胞与每个单一染料敏化的效率。Ogura et al。51)与互补两个染料的混合使用吸收光谱(D131和黑色染料)使TiO的₂电影,取得了11%的效率,这是高于细胞的效率与每一个染料敏化。同样,Saxena TiO等人获得了4.7%的效率₂细胞致敏的N3和罗丹明染料的性能增加了相当大的细胞相比与单个染料敏化(52]。另一个研究小组(53)开发了一个混合的五个不同的染料与互补的吸收光谱。氧化锌薄膜敏感混合有大约7.9%的效率,这是高于效率实现每个染料。卟啉染料也被成功地用于cosensitization。Sharma et al。4)组成的一种新型卟啉染料合成zinc-metallated卟啉单元和用它来宣传TiO₂电影,导致4.72%的PCE。当这种染料与三级aryl-amine D一起使用,这展览互补与卟啉染料光吸收特性,太阳能电池效率提高到7.34%。Shibayama et al。54)结合黑色染料和有机染料具有pyridine-binding集团和证明了染料吸附不同的结合位点,从而增加染料加载和电池性能。

大多数研究努力的cosensitization DSSCs专注于开发一种染料鸡尾酒与全色吸收特性。或者,可以使用顺序cosensitization,半导体与一个又一个的染料敏化。风扇等人报道,敏感的顺序会影响DSSCs相当的效率。他们取得了高达8.14%的效率TiO的顺序cosensitization₂电影与卟啉和有机染料,发现cosensitization可以提高设备效率高达61%,设备与单个染料敏化(55]。他们的结论同意自己的发现56),我们研究了氧化锌薄膜的cosensitization有机染料、卟啉和香豆素等。我们发现顺序与三个有机染料敏化可以产生效率/ 4倍比任何单一细胞致敏染料和几乎两倍的细胞这些染料敏化的融合。我们观察到的敏感和敏感时间发挥重要作用在提高设备效率提高设备IPCE加载和染料。Cosensitization因此可以优化以获得最大的收获和提高设备性能。

近年来使用另一种方法来增加效率DSSCs是量子点的公司(QD)纳米颗粒进入细胞。这个过程是基于电浆共振发生在电子正面和负面的介电常数材料之间的界面入射光而兴奋不已。金属纳米粒子,如银或金,纳入的光电阳极DSSCs为了创建nanoprism散射光在设备里。小君et al。57商业TiO)合并Au纳米颗粒进入₂技术用于创建光电阳极和实现效率约50%相比,增加设备,不包含Au纳米颗粒。•克尔等人整合Au纳米粒子由脉冲Nd: YAG激光消融在1064 nm Z907染料的溶液(58]。合成金纳米粒子的加入到染料导致增加设备效率从1.284%提高到2.357%,由于金纳米颗粒的光吸收增加。最近,Sim et al。59)实现设备效率的增加从6.3到7.2%,开发三维透明光电阳极和散射层,用来陷阱,驱散内入射光设备。

表2总结了一些主要的材料、组件和技术用于色素增感太阳能电池的发展小说通过改进设备性能。

3.2。钙钛矿的太阳能电池

钙钛矿的太阳能电池的性能迅速提高,效率超过28%预测在不久的将来为钙钛矿已经被认为与理想的传输层(60]。的性能已经可以通过优化大大改善所涉及的各种材料和过程开发(61年]。目前,许多研究工作的重点是提高钙钛矿的形态和稳定层。在形态方面,钙钛矿电影应该被紧凑,无针孔,含有大颗粒,具有较高的结晶度。钙钛矿的结构层可以通过一系列的控制流程,前体溶液处理和老化等(62年),钙钛矿薄膜退火(63年],将添加剂在钙钛矿材料64年]。它也证明了优化钙钛矿的结晶度吸收层对钙钛矿的发展是至关重要的与高功率转换效率的太阳能电池65年),作为提高结晶度导致薄膜均匀性增强,从而提高设备效率(66年]。

另一个感兴趣的领域是接口工程,和几个研究小组报告通过界面优化提高设备效率和稳定性。吴等人介绍了一层薄薄的聚(环氧乙烷)作为界面层formamidinium-cesium-based已经,为了修改能级在钙钛矿和碳电极之间的界面67年]。他们报告增加了2.5%的效率已经包含界面的水平,由于改进能源对齐在钙钛矿/碳界面。陆et al。68年]发达cm-sized已经使用苯硫酚与能量转化效率高达20%的分子钙钛矿之间的界面层和修改spiro-MeOTAD空穴传输层。由此产生的设备显示提高效率和稳定性由于增强型电荷提取和减少电荷复合。

在空穴传输层方面,研究集中在无机p型半导体材料的发展趋势来取代有机空穴传输层,在已经被普遍使用。无机材料,如崔,NiO, CuSCN,表现出一些优势有机材料,如宽禁带、较高的空穴迁移率,和简单的处理。搜索引擎优化等。69年)无掺杂NiO电影作为空穴传输层混合有机-无机已经和实现功率转换效率为16.4%。张等人报道的能量转化效率为18.5%钙钛矿与无机p型半导体CuGaO太阳能电池₂作为空穴传输层(70年]。结果已经被还高长期稳定、保持效率高30天后连续操作的环境条件。

Cosensitization也可以用来改善钙钛矿的聚光能力和PCE太阳能电池。染料敏化剂的使用已经不是必需的,因为钙钛矿材料可以同时作为吸收剂材料和电子注入层。然而,染料敏化剂可用于扩大已经的吸收波长范围。在已经被吸收开始发生在波长800 nm,以事件photon-to-electron转换效率(IPCE) [71年]。在这个波长,理论最大光电流密度是27.2厘米²当假设没有光在透明导电衬底反射损失。光损失应考虑但实用的设备,导致最大光电流的马23.1 - -21.8厘米²(72年]。Cosensitization可以增加太阳能电池吸收钙钛矿的范围,导致光子转换成电子在更广泛的地区的太阳光谱52]。这可以提高事故photon-to-current效率,因此当前产生的设备(47]。张等人用metallophthalocyanines变得敏感CH₃NH₃PbI₃太阳能电池和PCE的近14%,这是相比,增加了28%的效率设备只用吸收的钙钛矿材料(73年]。他们认为多敏感设备的增强效率从增敏剂产生的电荷注入、可能的能量转移从高能钙钛矿到能量较低的染料,和潜在的降低串联电阻。最近,Balachandran et al。74年发达甲基溴化铵铅(CH)₃NH₃PbBr₃)N719染料掺杂钙钛矿。他们报告效率显著提高,从1%纯的细胞为设备多敏感N719 4.8 - -6.8%,表明cosensitization高潜力的提高设备性能。

钙钛矿材料有一定的属性,使其适合使用与其他太阳能电池技术:互补太阳能光谱吸收,能带可调谐性、易于加工和过程与硅和香烟的兼容性(铜(,Ga)₂)技术。

最近,两个钙钛矿的剥离技术的太阳能电池引起了科学界的注意:钙钛矿/ Si串联和钙钛矿/香烟串联太阳能电池。从图1 (b),它可以观察到,尽管这些技术已经研究了几年,这些细胞的效率记录是非常高的和令人印象深刻的速度上升。目前,牛津光伏拥有最高的认证效率记录为钙钛矿/ Si串联细胞钙钛矿/香烟在柏林和Helmholtz-Zentrum研究所细胞,分别为29.5%和24.2% (5]。有两种常见的串联太阳能电池结构:机械堆叠和铁板一块了。机械堆叠单元包括两个独立的太阳能电池的另一个,而单一的细胞是由一系列二端设备建在在单一基质。整体结构是最常用在工业和首选从技术和性能的角度来看。

单一钙钛矿/ Si串联细胞吸引了巨大的利益,因为他们利用成熟的硅太阳能电池行业,也有可能克服的理论效率极限结果硅太阳能电池(75年]。钙钛矿/硅太阳能电池由两个细胞工作在串联:顶部细胞钙钛矿和底部硅细胞(76年]。硅主要是红色的太阳光谱的一部分转化为电力,而钙钛矿材料利用光谱的蓝色部分。串联太阳能电池由多层硅和钙钛矿可以实现更高的效率比自己每一个细胞,和太阳能电池的效率可以达到30%以上(77年]。光电流是先决条件实现两者之间的匹配太阳光高效单片串联细胞(78年]。钙钛矿的效率/ Si单片串联细胞可以增强通过调整电气和电子传输层的光学特性和优化隙和钙钛矿吸收器的光密度79年]。

单一钙钛矿/香烟串联太阳能电池也有类似的架构钙钛矿/ Si细胞,直接与钙钛矿顶细胞捏造一个成熟CIGSe底部细胞(80年]。半透明的钙钛矿材料已经开发使用低温过程和与CIGS太阳能电池串联使用,报告电力转换效率超过20%81年]。钙钛矿和香烟材料的结合与互补的吸收光谱可能导致电脑超过30%。以确保最佳的设备效率,同步互连层细胞应该有效的电气连接以及光学透明度高(82年]。

虽然已经证明了快速发展高效钙钛矿太阳能电池的发展,许多问题需要解决,才能成为市场竞争技术。钙钛矿的太阳能电池的主要缺点是他们的稳定性差和高毒性。已经被稳定性低,尤其是在高湿度条件下,广泛的照明,和高温,是面临的最大挑战之一成功商业化的技术。几项研究目前集中在解决这些问题通过研究钙钛矿材料的降解机制和其他设备层。稳定性的研究对改善这些细胞主要集中在两个主要策略:(a)改善设备的内在稳定性和(b)保护装置通过外部手段。已经可以改善内在的稳定性特别是通过改变组成材料的吸收层。有机阳离子吸收器最常用,尤其是methylammonium,易受潮湿和热降解[83年]。结合mixed-cation系统的装置,如铷和铯,钙钛矿材料显示提高效率和稳定性29日]。Mixed-halide和mixed-cation系统也表现出高稳定性。Saliba等人报道mixed-halide和功率转换效率19% quadruple-cation已经保留了95%的效率500小时在85°C(照明下84年]。最近,松井等人报道效率超过20%,为cm-sized细胞保留了92%的能量转化效率在高温/ 1000 h后水分条件。他们在钙钛矿合并Rb吸收层,增加了热稳定性产生的太阳能电池(85年]。

界面层的优化也会导致增加稳定性,例如,通过替换材料对紫外线敏感,比如TiO₂,有UV-stable界面层,如SnO₂。朱et al。86年在TiO)介绍氯化铵₂/钙钛矿接口,从而提高电荷提取和提高设备的效率和稳定性。基督徒et al。87年)开发了一种优化的界面层的细胞,保留94%的峰值效率后1000小时的未密封的操作环境空气条件。

许多研究工作也专注于改善的稳定性已经通过外部修改,如细胞的封装。封装的一种非常有效的方法是用玻璃膜覆盖细胞并与环氧树脂密封。然而,这种技术不兼容的精密卷绕对位技术处理,因此不建议大规模商业设备。另一方面聚合物密封剂已经被成功运用的增加钙钛矿太阳能电池的稳定性。一生的10000个小时报道用聚对苯二甲酸乙二醇酯封装(88年),而细胞涂上一层发光光敏聚合物保持三个月寿命在户外条件下(89年]。布什et al。90年]报道一个电源转换效率23.6%的单一的钙钛矿/硅串联电池操作成功1000小时在湿热试验(85°C和85%相对湿度)。此外,自组装单层膜,有机分子的有序排列,在已经被利用为界面层,以提高他们的效率和稳定性91年]。

面对已经被商业化的另一个重要的问题是存在的在大多数钙钛矿的吸收太阳能电池。铅是一种材料,众所周知的环境和健康的影响。铅具有较高的毒性和危害环境和人类健康,导致其逐渐消除大部分设备和组件,如电池。许多研究小组目前集中在发现成功的替代铅钙钛矿太阳能电池。无铅已经正在开发用铅与另一个元素的毒性较低。合适的替代铅已经需要满足一些条件,如晶体结构和量子力学性能的材料。目标是开发环保太阳能电池作为铅已经被相似的效率与稳定。大量的材料,如过渡金属、碱土金属、稀土离子,被调查,有限的成功。各种二价金属阳离子也已经进行测试,发现了最成功的英国航空公司^{2 +}、钙^{2 +},老^{2 +}(92年]。特别是锶铅离子半径相似,初步实验表明,产生的化合物与Sr交换Pb (CH₃NH₃斯里兰卡₃)也有类似的晶体结构和成键模式(含铅化合物93年]。双钙钛矿也被证明有相当大的潜力发展无铅太阳能电池。化合物如Cs₂AgSbI₆,计算机科学₂BiAuBr₆和计算机科学₂BiCuI₆早就复合寿命和最佳隙和已报告表现出足够的稳定甚至在高温下(94年,95年]。到目前为止,已经成功替代铅已相当有限,和未来的努力在这个领域是必需的,为了发展无铅已经被高效、稳定。努力减少铅的含量已经不是完全消除它更成功。朱等人报道已经被包含的电源转换效率为15.20%的合金锡和铅的吸收层,由一个解决方案在DMSO和DMF (96年]。

表3总结了一些主要的材料、组件和技术用于小说的发展结果钙钛矿串联细胞钙钛矿和提高设备性能。

3.3。有机太阳能电池

好几年,口服脊髓灰质炎疫苗研究主要关注低能带隙材料的设计与最佳太阳光谱吸收为了增加口服脊髓灰质炎疫苗的pc细胞(97年,98年]。最近进展口服脊髓灰质炎疫苗的发展是由低能带隙nonfullerene聚合物受体(nfa) [99年- - - - - -101年]。Nonfullerene受体往往表现出高的可调性的吸收光谱和电子能级,它允许增加优化产生的太阳能电池。大多数表现nfa,如IT-4F36 IEICO-4F37, BT-CIC13,包含氟或氯原子,和电脑取得了超过16%的氯化NFA-based口服脊髓灰质炎疫苗细胞。崔et al。102年)使用氯化nonfullerene受体与PBDB-TF BTP-4Cl在混合开发口服脊髓灰质炎疫苗的反向结构电脑超过16%。最近,同一组通过侧链合成新nfa基于BTP-4Cl工程。新材料表现出改进的溶解度,允许通过叶片涂层技术和高效的处理表现出的效率超过15%的混合PBDB-TF [34]。当前研究领域的nonfullerene口服脊髓灰质炎疫苗是主要关注的开发和优化nonfullerene亲对匹配的属性增加口服脊髓灰质炎疫苗的性能。共聚物的例子已经被成功运用体结合nonfullerene受体在口服脊髓灰质炎疫苗包括PM6 P2F-EHp D16, PTQ10。刘等人最近使用D16,这是基于一种稠环thiolactone单位,作为一个捐赠者与日元在混合开发口服脊髓灰质炎疫苗超过16%效率和D18与日元实现混合效率超过18% (103年]。

混合形态对设备性能的影响是另一个参数,近年来被广泛研究104年]。纵向和横向相隔离的p型和n型半导体聚合物之间的融合已被证明影响有源层内的电荷传输(105年]。最近的研究是旨在改善设备性能通过操纵垂直通过引入各种界面层相隔离。之间的夹层,尤其是口服脊髓灰质炎疫苗的活性层和空穴传输层,可以提高能量水平对齐和促进整个设备的电荷转移。曹et al。106年]使用PBDTTPD-COOH作为活性层和空穴传输层之间的界面改性剂,在PBDTTPD, PCDTBT和PTB7-based口服脊髓灰质炎疫苗。他们得出的结论是,口服脊髓灰质炎疫苗的改善层间的性能通过增加是由于能量水平排列和垂直相隔离的变化,以及在混合组成PBDTTPD-COOH /捐赠者接口。无机半导体,比如TiO₂氧化锌,也被用作夹层提高电荷转移和收集,防止孔形成在口服脊髓灰质炎疫苗。刘等人。107年)使用Al-doped氧化锌层创建一个半导体金属nanojunction在电脑_71年BM-based口服脊髓灰质炎疫苗。改进电子开采和运输造成的层间导致效率从7.89%增加到9.81%。另一个类的材料可以用作夹层在口服脊髓灰质炎疫苗是共轭聚合电解质。这些是由侧链与离子官能团和共轭骨干和改善了孔运输和收集属性能够帮助提高设备性能108年]。

小分子有机太阳能电池的研究近年来也获得牵引力。典型的聚合物的口服脊髓灰质炎疫苗的缺点之一是相对贫穷的再现性,阻碍了可伸缩性,正在向他们的商业化的主要障碍之一。小分子口服脊髓灰质炎疫苗是一种很有前途的技术,由于其定义良好的分子结构和相对较高的再现性聚合物相比,口服脊髓灰质炎疫苗(109年]。另一方面,小分子比聚合物同行设备往往有较低的个人电脑,通常通过高真空过程开发,不一样具有成本效益的解决方案过程可用于聚合物材料。最近,许多领域的突破小分子口服脊髓灰质炎疫苗导致了相当大的提高的效率,与电脑超过15%报告和认证110年]。在这一领域研究成果大部分是针对合成新的捐赠者和受体小分子材料优化属性用于口服脊髓灰质炎疫苗。刘等人引入氟原子在小分子捐助者来达到增加高开路电压与聚合物F-2Cl口服脊髓灰质炎疫苗作为受体(111年]。秋等人合成了新型供体材料和使用这些材料的侧链工程优化活性层形态与日元混合,导致效率超过14% (112年]。同样,周et al。113年]合成了一个新的小分子供体材料,用窄隙小分子材料作为受体,实现效率超过14%。增加能量转化效率达到在这项研究是由优化分层形态的供体和受体材料。最近,胡锦涛等人开发all-small-molecule口服脊髓灰质炎疫苗与电脑超过15%。他们用富勒烯衍生物添加剂在BTR-Cl:日元活跃层,导致减少了电子重组和高设备填充因数(114年]。

近年来增加利益的另一个领域是三元有机太阳能电池的发展。在三元口服脊髓灰质炎疫苗,三个有机半导体用于活性层,而不是两个。引入另一个半导体聚合物装置的动机是提高光吸收的细胞(115年]。三元细胞可以设计补充吸收波段的太阳光谱范围最大化,细胞吸收和提高其能量转化效率。此外,能量水平之间的相关性三个组件的三元细胞起着至关重要的作用在这些细胞的发展和优化116年]。好的能级之间的对齐三元细胞导致的组件增加电荷传输和收集,从而提高了设备效率。目前,研究成果主要集中在新型供体和受体材料的合成和优化协同属性适用于三元口服脊髓灰质炎疫苗,在吸收、能量水平,和兼容性117年]。三元口服脊髓灰质炎疫苗是理想的适用于NFA细胞,实现效率超过14%118年]。任等。119年)开发了一种策略基于聚合物的叠层顺序沉积捐赠者和两个nonfullerene受体。使用分层技术方法允许的优化聚合物混合,导致网络结构的形成与电荷生成增加,运输,和集合属性。最近,詹et al。120年]报道一个电源转换效率超过17%的三元有机太阳能电池基于聚合物受体合金日元:BTP-M, PM6聚合物捐献者。同样的,et al。121年)实现功率转换效率超过17%的有机太阳能电池基于聚合物受体的合金MF1和日元PM6聚合物捐赠。

向商业化的主要挑战富勒烯和NFA口服脊髓灰质炎疫苗是可伸缩性122年]。口服脊髓灰质炎疫苗可以制造比旋转涂布使用更加可伸缩技术,如喷涂、叶片涂层和喷墨打印。大面积口服脊髓灰质炎疫苗细胞发达但是用印刷方法大大降低电脑比小面积spin-coated设备(34]。另一个重要的问题是长期稳定的有机太阳能电池,尤其是在户外天气条件下(123年]。目前大量的研究工作集中在解决可伸缩性和稳定问题,使未来的口服脊髓灰质炎疫苗的商业化。近年来,已经有兴趣了解口服脊髓灰质炎疫苗的降解机制,增加增加一生通过许多方法不同的发展更稳定的聚合物材料,使用先进的包装技术。有许多原因,太阳能电池的退化,特别是在环境条件下。这些细胞的基本材料往往有较低的抗氧、水分、高温、光照、等,导致他们的迅速恶化2]。最重要的在这些原因被认为是光降解活性层的聚合物,通过接触广泛的照明。

许多策略调查为了提高有机太阳能电池的稳定性和整体生命周期,从封装设备的新材料的发展和过程。封装的最有效方法之一是包住玻璃板之间的装置和密封使用环氧树脂(124年]。Peters等人实现了整体寿命7年的照明下,PCDTBT:电脑_71年BM细胞包裹在玻璃含有一层干燥剂和密封的环氧树脂(125年]。然而这种封装的方法有明显的劣势否定口服脊髓灰质炎疫苗的灵活性,这是这项技术的主要优势之一。出于这个原因,许多柔性聚合物密封剂已经开发近年来增加口服脊髓灰质炎疫苗的稳定性。萨普克塔等人开发完全灵活的设备,保留原来的效率的95%以上,1000 h后下湿热测试(126年]。

大量的材料和设备工艺也被开发出来,以提高有机太阳能电池的稳定性和持久性。常见的方法来提高设备稳定性包括合成新材料的活跃和空穴传输层,以及优化混合形态的活跃。值得注意的是,李等人最近开发MoO口服脊髓灰质炎疫苗₃空穴传输层(127年]。这些设备在高温下表现出良好的热稳定性在300 - 420 K,与pc下降速度降低0.13% /°C相比,0.20%的细胞PEDOT /°C: PSS hole-extracting层。雇用一个反向装置几何也被广泛地用于提高设备寿命,因为这种结构往往有更高的稳定性,防止反应活性层聚合物和金属电极之间的(128年]。三元太阳能电池也往往更多功能和可调,通过引入第三个组件在活跃的混合129年]。大量的研究工作集中在增加三元口服脊髓灰质炎疫苗的稳定性通过适当材料的仔细选择和优化三元设备。最近,刘等人报道的8.5%的效率三元设备基于萘di-imide聚合物受体,与聚合物混合捐助者PBDT-TAZ和PTB7-Th [130年]。这个设备表现出较高的热稳定性,保留98%的效率,300 h后加热在65°。一个有前途的方向提高有机太阳能电池的稳定性和整体生命周期的使用上述nonfullerene受体。这些材料有高度可调的特性,已被证明有热、光化学稳定增加,导致提高设备寿命相比fullerene-based口服脊髓灰质炎疫苗(122年]。

表4总结了一些主要的材料、组件和技术用于小说有机太阳能电池的发展。

4所示。可持续发展的应用

4.1。涂料的太阳能电池

涂料太阳能电池表现出许多独特的特性,使这种技术高度呼吁可持续发展太阳能的应用程序。这些细胞可以使用低成本的生产流程和制造材料和兼容精密卷绕对位印刷技术(39]。大面积设备可以安装在柔性基板,如布或纸,打开应用程序领域的可穿戴电子产品。由此产生的柔性太阳能电池有各种潜在的应用,如行李、齿轮或衣物。军队有兴趣这个技术装备帐篷和织物具有灵活、轻量级DSSCs,权力和充电便携式电子设备(40]。

此外,DSSCs展览在光线暗的条件下,高绩效包括室内照明,因此可以用于内部应用程序,例如,对于驱动小型电子设备。DSSCs在弱光的操作条件下的高效率使这项技术有前途的几个市场应用,如室内聚光装置,便携式电子设备,甚至是汽车行业。小室内电子设备与低功率需求可以由自己的内置太阳能电池供电,为系统提供高度的自治功能和可持续性131年]。图6显示DSSC应用的例子。另一个潜在的新兴的光伏技术的应用是在各种集成电子产品,如电池、超级电容器、太阳能电池或燃料电池集成提供电能(132年]。自主设备,由自己灵活的、轻量级的太阳能电池,可以用于偏远地区没有连接到电网或军事应用。例如,小型光伏单元可以集成充电电池储存太阳能电池产生的能量,为了提供一个便携式电力系统(133年]。几项研究已经证明使用Li-based电池成功建立一个能源包一个合并DSSC模块(134年,135年]。同样,DSSCs已集成到超级电容器,创建一个改性设备,可以实现光电转换和能量储存在同一时间,可用于纺织品和其他轻量级应用程序(136年]。杨et al。137年)开发的一个独立的自供电的系统组成的固态超级电容器,四个串联DSSCs,和一个LED灯。该系统成功地点燃一个红色LED灯了30分钟后被指控仅2分钟。

由于其结构设计和不同颜色的染料,DSSCs是半透明的,可以产生各种颜色。这些特性,结合前面提到的灵活性,使其兼容各种建筑元素,并提供独特的应用程序领域的建筑光伏(41]。然而,为了使这一技术,需要进一步的研究成为建筑应用的竞争。这些设备的稳定性和寿命低阻碍大规模建筑应用程序的使用。小说,固态电解质需要开发以产生DSSCs高稳定性和效率。此外,DSSCs效率相对较低,限制了其商业化的利基技术,如便携式和一次性的电子产品。需要进一步优化该技术实现效率接近20%为了DSSCs成为大规模市场商业化的竞争。

4.2。钙钛矿的太阳能电池

钙钛矿太阳能电池成为最具潜力的太阳能电池技术由于其简单的制造过程和高的电脑,超过25%的效率记录(5]。已经相对比较简单的生产工艺,和使用的材料是廉价和可用的大量。因为钙钛矿细胞比硅同行生产费用低,制造它们转化成大大减少能源消耗和降低生产成本,这使得它们可持续太阳能应用程序的一个非常有吸引力的选择。此外,已经被认为是轻量级和超薄,可产生不同的颜色(45]。也有选择使用各种衬底表面,如电影或纺织品、生产柔性太阳能电池,专用应用程序提供更多的机会。钙钛矿细胞能产生能量从low-scattered人造光甚至是有效的,这意味着他们可以收获太阳能在阴影区域或多云天气和nonvertical角度。这种优势在硅电池,连同他们的轻量级的,可以挂载它们即使在垂直立面元素,从而使建筑的整合已经被其中一个最有前途的选择可持续能源在建筑75年]。半透明的钙钛矿太阳能电池建筑应用程序尤其有吸引力,因为他们提供了一个数量的美学建筑选项(138年]。半透明的已经被认为可以用来覆盖建筑物的表面,窗户、屋顶,提供额外的能源。他们的应用程序在windows的建筑或车辆近年来已被广泛的研究。的吸收光谱已经可以调谐到近红外或紫外区域,以增加透明度。这提供了额外的保护建筑或汽车内饰的好处从红外辐射的加热效应和紫外线辐射的有害影响139年]。

另一个前景看好的申请已经在串联装置架构。作为讨论的部分3.2细胞钙钛矿结构可以结合另一个吸收材料生产高效设备。因为钙钛矿材料的可调带隙,它们可以用来补充其他太阳能电池的吸收,如硅或香烟,从而大大提高设备效率,同时有效地降低相关成本每瓦特的模块(132年]。

一个问题需要解决大规模PSC商业应用程序的可伸缩性的设备。大型设备需要生产效率高和可再生的过程之前,这种技术可用于大面积应用,如建筑光伏。尽管已经可以由相对简单的印刷和涂层技术、大型设备生产日期在一致性和再现性问题,导致效率大大低于小区域的细胞。

4.3。有机太阳能电池

低成本制造加工用于口服脊髓灰质炎疫苗的生产是一个很大的优势,将使这一技术与传统能源在某些市场竞争。有机光电的其他优点包括低体重和环保的降解性,提供新的太阳能电池应用的机会。口服脊髓灰质炎疫苗的另一个重要特点是,印刷和涂层制造技术完全可以进行灵活的基板(31日),使灵活的生产设备,适用于更大范围的应用程序比传统的刚性的光伏发电。

口服脊髓灰质炎疫苗的特殊性质使其适合可持续太阳能的广泛应用,如建筑光伏(图7(一))、衣物(数字7 (b)和7 (c)),驱动小型室内电子设备(数据7 (d)和7 (e))。由于口服脊髓灰质炎疫苗是薄而灵活,他们可以被纳入各种基板和建筑材料包括标准纹理玻璃(One hundred.]。此外,口服脊髓灰质炎疫苗模块并不会出现性能下降引起的典型的户外漫射光和高温等条件,可以在不同形状和开发程度的透明度使它们适合集成在可持续能源的建筑140年]。最近,口服脊髓灰质炎疫苗被用来制造> 250米²灵活的电力系统达到平均性能~ 5% (PCE)在一个半透明的配置(图7(一))。

口服脊髓灰质炎疫苗可调谐的光学吸收兼容窄的发射光谱和低光强度的常用室内光源(141年]。这个属性,连同他们的轻量级、灵活性和颜色,使它们适合室内应用。最近,丁等人all-polymer太阳能电池为室内设计应用高开路电压为1.16 V和PCE日光灯照明下的27.4% (142年]。崔等人开发了一个有机光伏模块为室内应用面积1厘米²表现出22%的能量转换效率在1000勒克斯LED照明(143年]。最近,白等人开发了一个三元口服脊髓灰质炎疫苗对于室内光线应用程序,根据苯并三唑捐赠J52-F氯化捐赠PM7,受体BTA3。设备产生的电力转换效率超过20%低于300勒克斯LED照明3000 K的温度(144年]。

表5显示了一个比较的总结主要的可持续能源DSSCs申请,已经和口服脊髓灰质炎疫苗。

5。结论

全球对能源的需求不断上升,加上化石燃料的迅速消耗,导致增加对可再生能源的兴趣在过去几十年。从纯经济学的观点看不过,硅太阳能电池还没有与化石燃料竞争。进一步减少太阳能的成本需要增加这项技术的市场份额。这种减少太阳能的成本可以通过开发新的太阳能电池材料和设备的概念。许多替代硅基细胞正在接受调查,针对光伏设备的发展与相对较高的转换效率,降低成本。

第三代色素增感太阳能电池等光电技术,有机太阳能电池,钙钛矿太阳能电池近年来出现,显示潜在的大规模商业化。这些有前途的太阳能电池技术开发使用低成本的生产流程,他们对环境温度变化不太敏感,他们有良好的性能在光线暗的条件和可以安装在柔性基板。它们的属性使他们适合许多可持续发展太阳能的应用程序,从小型自供电的电子设备,如电子计算器,大规模,大力自给自足的建筑。

涂料太阳能电池最适合利基应用,如一次性的电子,由于他们的低成本和相对较低的稳定。尤其用于有机太阳能电池的生产柔性太阳能电池使用简单的印刷精密卷绕对位过程。钙钛矿太阳能电池被广泛认为是最有前途的新型太阳能电池技术。他们的电脑可以媲美的硅基太阳能电池,以相当低的成本,适合众多可持续太阳能应用。他们也可以用于与其他太阳能电池串联技术,如硅或香烟,导致高效,具有成本效益的太阳能电池设备。

然而这些新兴太阳能电池技术还没有在大量商用。缺点比如这些细胞的相对较低的效率和稳定相比,硅基太阳能电池构成阻碍其商业化。目前的研究工作的重点是克服这些障碍通过新材料的发展,加工技术和设备的架构。这些研究的结果将解锁新兴太阳能电池技术的潜力,并导致未来的商业化。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者说,她没有利益冲突。

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