透明光伏技术的革命！自洁功能与光能转换效率的双重飞跃！
文摘
2024-09-13 10:11
山东
随着工业化的快速发展，全球能源需求不断上升，传统的化石能源因其开采和利用过程中产生的大量污染物，对生态环境造成了严重破坏。同时，资源的枯竭也导致了能源供应的不稳定。因此，开发清洁、可再生且成本低廉的新能源成为了全球性的热点话题。太阳能以其普遍性、易获取性和广泛的环境适应性，成为了新能源中的佼佼者。目前，大多数研究集中在通过太阳能电池实现最终的光电效率，但全光谱吸收会导致设备不透明，限制了其在实际应用场景中的使用。因此，透明光伏设备因其在保持高透明度的同时确保高光电效率，已经在玻璃幕墙、智能窗户等新场景中得到了广泛应用。在透明设备中，具有适当带隙和高导电性的半导体氧化物是核心问题，即在保持透明度和光电转换效率（PCE）之间找到平衡。Bi2O3因其3.0 eV的带隙满足了可见光透明性的要求，并通过高载流子效率保持了高光电响应。然而，缺乏匹配的p型透明材料严重阻碍了透明设备的普及。Cu2Y2O5因其高p型载流子迁移率和良好的可见光透明性，以及出色的化学和热稳定性，在透明设备中展现出了显著的竞争力。在这项研究中，科学家们通过溶胶-凝胶-水热法制备了一种具有自洁功能的透明Cu2Y2O5/Tb:Bi2Sn2O7量子点/Bi2O3 pn结。这种设备不仅展现了约85%的高透光率，而且在光电转换效率上实现了约2.0×10^3倍的显著提升（PCE达到约1.17%），在5个月的周期内稳定输出，并具有良好的自洁性能（接触角约为123.4°）。这一成果主要归功于Tb:Bi2Sn2O7量子点和层状Bi2O3阵列的协同作用。除了适当的电势和高量子产率，Tb:Bi2Sn2O7量子点通过上转换荧光和界面/表面优化的协同作用，改善了载流子动力学平衡，实现了PCE和透明度的平衡，同时通过Cu+/Cu2+和间隙氧的协同作用增加了p型导电性。https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.09.001图1 展示了通过界面Tb:Bi2Sn2O7量子点改性的自洁透明Cu2Y2O5/Bi2O3 pn结的制备过程。这一过程不仅涉及到了材料的合成，还包括了对设备结构的精心设计。图2 通过XRD分析了不同Tb:Bi2Sn2O7量子点过渡层的Cu2Y2O5/Bi2O3，证实了在多次溶胶-凝胶-水热过程中Cu2Y2O5的稳定性。图3 通过SEM图像展示了Cu2Y2O5薄膜、Tb:Bi2Sn2O7量子点沉积后的Cu2Y2O5薄膜、Bi2O3阵列薄膜以及Cu2Y2O5/Tb:Bi2Sn2O7量子点/Bi2O3的横截面结构，揭示了材料的微观结构和界面特性。图4 通过HRXPS分析了不同组分在形成设备中的分布，特别是Tb掺杂的情况，为理解材料的光电性能提供了重要信息。图5 展示了Cu2Y2O5/Tb:Bi2Sn2O7量子点/Bi2O3的透光率和带隙，这些特性对于透明光电设备至关重要。图6 (a) 不同Cu2Y2O5/Tb:Bi2Sn2O7量子点/Bi2O3的光电转换效率，(b) 5天和(c) 5个月的循环I-T曲线图7 (a) 不同Cu2Y2O5/Tb:Bi2Sn2O7量子点/Bi2O3的电化学阻抗谱(EIS)图，(b) 光致发光(PL)，(c) 波特图，以及 (d) 时间分辨光致发光(TRPL)图8 (a) Cu2Y2O5，(b) Tb:Bi2Sn2O7量子点，(c) Bi2O3，以及 (d) CYO/BO-Tb:BSO-2的Mott-Schottky曲线图图9 (a) Cu2Y2O5，(c) Bi2Sn2O7量子点，(e) Bi2O3的密度泛函理论(DFT)计算，(b) Cu2Y2O5，(d) Bi2Sn2O7量子点，以及 (f) Bi2O3的工作函数，(g) 通过界面Tb:Bi2Sn2O7量子点实现自洁透明Cu2Y2O5/Bi2O3 pn结的光电转换机制这项研究成功制备了一种新型的自洁透明光伏设备，该设备在保持高透明度的同时，显著提高了光电转换效率，并通过自洁性能减少了维护成本。通过Tb:Bi2Sn2O7量子点和层状Bi2O3阵列的协同作用，实现了载流子动力学平衡的优化，同时增加了p型导电性。这一成果不仅在材料科学领域具有重要意义，也为透明光伏技术的实际应用提供了新的可能性，尤其是在建筑集成光伏和智能设备等领域。随着进一步的研究和优化，这种新型透明光伏设备有望在未来的能源和信息领域发挥重要作用。
