全无机钙钛矿太阳能电池与水蒸汽化“敌”为“友”

引言

近年来，基于CsPbBr3的无机钙钛矿太阳能电池(PSC)由于具有优异的热学和化学稳定性受到了科研人员的广泛关注。研究发现，与有机-无机杂化PSC相比，全无机CsPbBr3太阳能电池可以在相对湿度90%以上的空气环境中保持稳定。已开发的无机PSC只能将太阳能转换为电能，而对周围环境中的水蒸汽能等其它能量不能吸收利用。水蒸发是实现水循环的关键过程，在此期间释放出巨大的水蒸汽能。如何在不增加电池成本的前提下，实现无机PSC的多能集成应用是当前光伏研究领域的前沿科学问题之一，尤其使PSC器件与水蒸汽化“敌”为“友”更是实现最大能量收集的难题。

成果简介

近日，暨南大学唐群委教授(通讯作者)设计了一种基于碳电极的无空穴全无机PSC器件，利用碳电极巧妙地实现器件同时捕获太阳能与水蒸汽能。其基本原理是：在太阳光照时，碳电极可以提取CsPbBr3产生的光生空穴，实现电子-空穴对的有效分离;而在高湿环境中，碳电极又与水蒸汽间的水伏效应产生额外的电压与电流，实现水汽诱导发电。通过优化电池的能级结构以及碳电极的表面结构，该全无机PSC在标准太阳光照条件下获得9.43%的光电转换效率，同时在80%的相对湿度下可以获得0.35 V电压和0.45 μA电流。由于无机钙钛矿CsPbBr3具有非常优异的稳定性，因此该电池仍可以在该湿度下保持非常优异的稳定性，对多能集成光伏电池的发展提供了新的思路。相关成果以“Carbon Electrode Tailored All-Inorganic Perovskite Solar Cells To Harvest Solar And Water-Stream Energies”为标题发表在Angewandte Chemie International Edition杂志上。

图文简介

图1.能同时捕获太阳能和水蒸汽能的全无机PSC器件结构和电荷传输示意图

图2.无机CsPbBr3薄膜的形貌、全无机PSC的光伏性能以及水蒸汽发电性能

(a)CsPbBr3和(b)碳电极的表面SEM图。

(c)全无机PSC的SEM断面图。

(d)全无机PSC的J-V曲线。

(e)全无机PSC的效率分布。

(f)碳电极经不同等离子处理时间后的水蒸汽诱导电压信号。

(g)碳电极经不同等离子处理时间后的水蒸汽诱导电流信号。

图3.碳电极在不同湿度环境下的发电能力和稳定性

(a)电压和(b)电流随湿度的变化曲线;

(c)电压和(d)电流在RH= 80%的长期稳定性。

图4.全无机PSC器件的稳定性

(a)CsPbBr3薄膜在RH= 80%下的紫外-可见吸收光谱曲线，以及(b)515nm处的吸收峰强度随时间的变化。

(c)~(f)光伏参数在RH= 80%下的稳定性。