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西安交大科研人员在太阳能转换领域取得重要进展
西安交通大学 / 时间:2022-12-08 09:37:51

西安交通大学12月7日讯:金属卤化物钙钛矿材料具有吸取系数高、载流子扩散长度长、光学带隙可调等优点,成为目前引人注目的光电器件材料。目前,单结有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池器件的太阳能转换效率已达到25.7%,接近硅基材料的水平。除了追求高效率之外,器件的稳定性对进一步的发展也变得越来越重要。与有机-无机杂化钙钛矿相比,全无机钙钛矿CsPbX具有在光、热、湿条件下更佳的稳定性。特别是,通过调节钙钛矿材料中卤素离子(X = I-,Br-,Cl-等)获得的混合卤化物钙钛矿材料可以精确地调节材料的光学带隙。良好的带隙匹配可以更好地实现对太阳光的利用,使其成为单结太阳能电池或串联太阳能电池的理想选择。然而,卤素取代导致了相不稳定性,即光致卤化物偏析现象。低带隙富碘畴可成为陷阱态,导致过量的非辐射和界面复合。众所周知,光生极化子引起的局部应变梯度是引起卤化物偏析现象的原因之一。

针对以上关键问题,电子与信息学部电子科学与工程学院电子陶瓷与器件教育部重点实验室阙文修教授团队构建了一种CuInSe2(铜铟硒)量子点掺杂的CsPbI1.2Br1.8钙钛矿薄膜电池器件,有效抑制了钙钛矿薄膜的光致卤化物偏析现象,并揭示了量子点在钙钛矿晶粒成核过程中的作用及分布。同时,通过Pb-Se相互作用降低了薄膜内部Pb离子不饱和配位缺陷密度。此外,飞秒瞬态吸取光谱和荧光光谱证实了量子点具有强电子提取能力,并抑制了载流子复合。本工作通过低温溶液法实现了环境条件下高效率及较高稳定性的钙钛矿太阳能电池器件,为探索钙钛矿卤化物离子迁移通道、观察动态相变和跟踪量子点位置状态提供了一种简单的方法。

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CuInSe2量子点掺杂的CsPbI1.2Br1.8钙钛矿薄膜电池中的电荷分离

上述工作以“CuInSe2量子点辅助全无机钙钛矿太阳能电池中的成核调控和卤化物离子锚定”(Nucleation Regulation and Anchoring of Halide Ions in All-Inorganic Perovskite Solar Cells Assisted by CuInSe2Quantum Dots)为题,发表在材料领域国际著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials,影响因子19.924)上。电信学部博士生刘丹为本论文的第一编辑,阙文修教授、尹行天副教授和杨亚威助理教授为共同通讯编辑,西安交通大学为唯一编辑单位。

常见的高效太阳能转换技术除了光伏外,还有太阳能海水淡化。基于界面蒸发的太阳能海水淡化技术具有低成本、节能、环境友好等优势,是一种可持续的淡水获取技术,可一步直接从海水中制取饮用水。近年来,随着各类高效蒸发器的研发,太阳能转换效率得到了显著提高,已经接近商用价值。然而,同传统的海水淡化技术一样,都面临着盐分污染问题,不可避免地影响蒸发器的性能和寿命。

针对这一问题,阙文修教授团队受电子二极管可以单向导通电子启发,构建了一种可量产的、具有选择性盐离子迁移的非对称太阳能蒸发器,有效阻止了盐颗粒在蒸发器表面析出,并揭示了非对称太阳能蒸发器中的阻盐机理。仅以低成本的椰壳布作为原材料,对其蒸发部分进行碳化后得到光热层,其余部分作为输水层,进一步通过将蒸发面制成梯形、并加宽宽边输水层,最终得到非对称蒸发器。该太阳能蒸发器可实现在4倍标准太阳辐照强度、14 wt% NaCl的浓盐水中持续稳定工作,表面无盐聚集。实验和数值模拟结果表明,非对称结构可以将蒸发面中最高盐浓度区域推到接近窄边疏水层的位置,缩短窄边的盐离子向下扩散距离,加快窄边的离子扩散,使盐离子更容易向窄边迁移,从而实现从宽边向窄边的选择性离子迁移,因此盐离子不会在蒸发面聚集,维持蒸发面的盐离子浓度始终低于饱和值,最终强化蒸发器的阻盐性能。本工作通过简单的材料和设计,实现了高效、阻盐的太阳能蒸发器,为设计新型大规模阻盐蒸发器提供了有益思路。

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具有选择性盐离子迁移的非对称太阳能蒸发器

上述工作以“一种类二极管的可量产高耐盐非对称太阳能蒸发器”(A Diode-like Scalable Asymmetric Solar Evaporator with Ultra-high Salt Resistance)为题,发表在材料领域国际著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials,影响因子19.924)上。杨亚威助理教授为本论文的第一编辑,西安交通大学为第一编辑单位。参与该工作的还有中南大学能源学院李庆教授和邱羽副教授。

以上工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、中国博士后科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的支撑。

阙文修教授团队长期致力于纳米复合材料的新能源与环境应用研究,这些研究工作是阙文修教授课题组在太阳能转换领域多项研究成果发表在ACS Energy Letters,ACS Nano,Matter,Materials Horizons,Nano Energy,Small等国际著名期刊后的最新重要进展。

论文链接1:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210754

论文链接2:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210972


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