西建大(云斯宁)/兰大(秦勇)/上海高研院(李东栋)/西交大(韩晓刚)等Energy Environ. Sci.：基于染料敏化和钙钛矿太阳能电池的新一代集成器件

【引言】

能源危机和环境污染是当今世界人类社会面临的两大难题，可再生能源的利用是解决这一问题的关键。太阳能和生物质能作为资源量最大的可再生能源，其高效开发和利用对于能源的可再生利用和社会的可持续发展意义非凡。近年来，随着新一代太阳能电池研究热情的急剧增加，使得太阳能电池集成器件出现了新的发展趋势。

传统的集成电池组包含硅太阳能电池板和固态锂电池两个独立的部分，导致体积较大和笨重。一个能够整合捕能和储能于一体的集成器件电池组不但可以减小其体积，还可以提高能量转化率，是电动系统开发的一个重要方向。新一代太阳能电池集成系统能够将捕能器件（如硅太阳电池、薄膜太阳能电池、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿型太阳能电池等）和储能器件（如锂离子电池、超级电容器等）集成在同一个系统中，实现能源捕获、转化和储存，这对于自供给系统和便携式/可穿戴电子设备的精巧使用意义重大。

【成果简介】

染料敏化太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池由于具有良好的光伏性能和低温的可加工性，使其在器件集成方面受到越来越多的关注。近日，由西安建筑科技大学云斯宁教授牵头，兰州大学秦勇教授、华盛顿大学Alexander R Uhl博士、瑞士联邦理工Nick Vlachopoulos博士，Anders Hagfeldt教授、上海高等技术研究院李东栋研究员、西安交通大学韩晓刚教授等参与，合作完成的题为“基于染料敏化和钙钛矿太阳能电池的新一代集成器件”的评论文章，在环境能源领域超一流国际期刊《Energy & Environmental Science》在线发表（IF=29.518）。基于现有的研究工作，论文全面总结了集成器件目前的研究现状、最近的发展趋势、研究热点和难点，详细评估了不同集成电力系统的技术优势，讨论了成功实现市场化的机遇，展望了未来面临的挑战。将多项技术集成在一个单元中，是提高系统性能、减小系统体积和重量、扩大系统适用性的有力手段。论文提出的观点对太阳能电池集成器件的快速发展具有重要的引领和指导作用。

图1  过去25年染料敏化太阳能电池（DSSC）效率提升进展（1991-2016）。

图2  基于固态染料敏化太阳能电池（DSSC）发展起来的钙钛矿太阳能电池（PSC）结构进展。

（a）钙钛矿敏化的固态介孔结构，电池效率9.7%；（b）介孔超结构，电池效率10.9%；（c）介孔结构，电池效率12%；（d）平面结构，电池效率15.4%；（e）介孔结构和平面结构显微结构对比。

图3  基于固态染料敏化太阳能电池（DSSC）发展起来的钙钛矿太阳能电池（PSC）效率提升进展（1998-2016）。

（a）代表性的固态染料敏化、钙钛矿敏化、钙钛矿电池效率及认证效率PCE；（b）介孔结构和平面结构电池效率对比。

图4  基于染料敏化太阳能电池（DSSC）和钙钛矿太阳能电池（PSC）的集成器件类型。

（I）染料敏化太阳能电池（DSSC）与锂离子电池（LIB）、超级电容器（SC）及纳米发电装置（NG）的集成；（II）钙钛矿太阳能电池（PSC）与硅基太阳能电池（SSC）、薄膜太阳能电池（CIGS）和有机太阳能电池（OSC）的集成；（III）染料敏化太阳能电池（DSSC）和钙钛矿太阳能电池（PSC）与光电合成电池（PESC）和电解电池（ELC）的集成。

图5  钙钛矿太阳能电池（PSC，Top cell）与硅太阳能电池（SSC，bottom cell）集成器件，其效率达到了25.2%。

图6  钙钛矿太阳能电池（PSC）与薄膜太阳能电池（CIGS）集成器件，其效率达到了19.5%。

图7  钙钛矿太阳能电池（PSC）与有机太阳能电池（OSC）集成器件，其效率达到了12.98%。

图8  染料敏化太阳能电池（DSSC）与锂离子电池（LIB）集成器件。

图9  染料敏化太阳能电池（DSSC）与纳米发电装置（NG）集成器件。上图为平面结构；下图为纤维结构。

图10  染料敏化太阳能电池（DSSC）与超级电容器（SC）集成器件。左图为平面结构；中图为纤维结构；右图为纳米管阵列结构。

图11  染料敏化太阳能电池（DSSC）与超级电容器（SC）及纳米发电装置（NG）集成。

图12  钙钛矿太阳能电池（PSC）与超级电容器（SC）集成器件。

图13  染料敏化太阳能电池（DSSC）与光电合成电池（PESC）耦合集成器件。

图14  钙钛矿太阳能电池（PSC）与光电合成电池（PESC）耦合集成器件。

图15  钙钛矿太阳能电池（PSC）与电解电池（ELC）耦合集成器件。

（a）三个钙钛矿电池（PSC）串联与电解电池（ELC）集成还原二氧化碳；（b）两个钙钛矿电池（PSC）串联与电解电池（ELC）集成分解水制氢。

【总结与展望】

目前集成器件的研究还处于起步阶段，能量转化和存储效率还较低。讨论集成系统存在的问题，为满足未来不同领域对于高效持久集成器件高质量的需求，需要从材料角度提高这种发电存储一体化器件的性能、耐久性、稳定性以及大面积生产能力。同时，进行新一代集成器件结构的设计，使不同功能单元更好地相互匹配对能量利用效率的提高也至关重要。总体来说，基于染料敏化DSSC和钙钛矿PSC技术的集成器件具有通过一系列固有优势 （如低温和低成本加工、机械灵活性、刚性或柔性衬底的选择、低毒(对DSSC而言)、优异的低光性能、颜色和透明度的可调性等）和特性的进一步利用和提高而实现广泛应用。

论文链接：New-generation integrated devices based on dye-sensitized and perovskite solar cells ( Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C7EE03165C )

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