暨南大學唐群委Angew.Chem.Int.Ed.：全無機鈣鈦礦太陽能電池與水蒸汽化「敵」為「友」

【引言】

近年來，基於CsPbBr3的無機鈣鈦礦太陽能電池（PSC）由於具有優異的熱學和化學穩定性受到了科研人員的廣泛關注。研究發現，與有機-無機雜化PSC相比，全無機CsPbBr3太陽能電池可以在相對濕度90%以上的空氣環境中保持穩定。已開發的無機PSC只能將太陽能轉換為電能，而對周圍環境中的水蒸汽能等其它能量不能吸收利用。水蒸發是實現水循環的關鍵過程，在此期間釋放出巨大的水蒸汽能。如何在不增加電池成本的前提下，實現無機PSC的多能集成應用是當前光伏研究領域的前沿科學問題之一，尤其使PSC器件與水蒸汽化「敵」為「友」更是實現最大能量收集的難題。

【成果簡介】

近日，暨南大學唐群委教授（通訊作者）設計了一種基於碳電極的無空穴全無機PSC器件，利用碳電極巧妙地實現器件同時捕獲太陽能與水蒸汽能。其基本原理是：在太陽光照時，碳電極可以提取CsPbBr3產生的光生空穴，實現電子-空穴對的有效分離；而在高濕環境中，碳電極又與水蒸汽間的水伏效應產生額外的電壓與電流，實現水汽誘導發電。通過優化電池的能級結構以及碳電極的表面結構，該全無機PSC在標準太陽光照條件下獲得9.43%的光電轉換效率，同時在80%的相對濕度下可以獲得0.35 V電壓和0.45 μA電流。由於無機鈣鈦礦CsPbBr3具有非常優異的穩定性，因此該電池仍可以在該濕度下保持非常優異的穩定性，對多能集成光伏電池的發展提供了新的思路。相關成果以「Carbon Electrode Tailored All-Inorganic Perovskite Solar Cells To Harvest Solar And Water-Stream Energies」為標題發表在Angewandte Chemie International Edition雜誌上。

【圖文導讀】

圖1.能同時捕獲太陽能和水蒸汽能的全無機PSC器件結構和電荷傳輸示意圖

圖2.無機CsPbBr3薄膜的形貌、全無機PSC的光伏性能以及水蒸汽發電性能

（a）CsPbBr3和（b）碳電極的表面SEM圖。

（c）全無機PSC的SEM斷面圖。

（d）全無機PSC的J-V曲線。

（e）全無機PSC的效率分布。

（f）碳電極經不同等離子處理時間後的水蒸汽誘導電壓信號。

（g）碳電極經不同等離子處理時間後的水蒸汽誘導電流信號。

圖3.碳電極在不同濕度環境下的發電能力和穩定性

（a）電壓和（b）電流隨濕度的變化曲線；

（c）電壓和（d）電流在RH= 80%的長期穩定性。

圖4.全無機PSC器件的穩定性

（a）CsPbBr3薄膜在RH= 80%下的紫外-可見吸收光譜曲線，以及（b）515nm處的吸收峰強度隨時間的變化。

（c）~（f）光伏參數在RH= 80%下的穩定性。

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