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全无机钙钛矿光电容实现在阳光下可高效、稳定的自发充电

当今,化石能源正在逐渐枯竭,环境问题日益严重,因此开发新型绿色能源成为科学研究的热点问题。太阳能电池,是一种利用太阳能的有效手段,但是由于太阳光的间歇性,因此不能连续输出,需要能源存储设备来存储太阳能电池转换的能量。超级电容器作为一种能源存储设备,具有充放电速率快、循环寿命长等优点,可与太阳能电池组装成“能源转换-存储”系统。传统的太阳能电池和超级电容器的组装是需要通过外部电线进行连接(图1a),这样会增加额外电阻,降低能量转换-存储效率,同时增加了制备成本。因此,需要研究将太阳能电池与超级电容器集成为一体的新型能源器件。

 

最近,南京大学的金钟教授课题组在太阳能电池和超级电容器集成化器件方面的研究取得了进展。他们将CsPbBr3基全无机钙钛矿太阳能电池与碳基全无机超级电容器进行了有效的集成化组装(图1b)。通过共享一个纳米碳电极,所集成的钙钛矿太阳能电容器获得了快速的光充速率、高的电压窗口、稳定的循环寿命以及优异的“光-电化学-电”能量转换效率。该文章发表在国际知名期刊Nano Energy上。

 

全无机钙钛矿光电容实现在阳光下可高效、稳定的自发充电

图1.太阳能电容器的结构及工作机理示意图。(a)传统的分离式器件结构示意图,(b)此工作中的集成式器件结构示意图。

全无机钙钛矿光电容实现在阳光下可高效、稳定的自发充电

图2.(a)全无机太阳能电容器的横截面扫描电镜图。(b)全无机太阳能电容器的顶部扫描电镜图。(c)CsPbBr3基全无机钙钛矿太阳能电池单元的横截面扫描电镜图。(d)电流-电压曲线。(e)无机钙钛矿太阳能电池的光电转化效率图。

 

本文工作根据示意图1b将全无机太阳能电池单元和全无机超级电容器单元组装成全无机太阳能电容器,整个太阳能电池单元和超级电容器单元的厚度都非常薄(图2a-c)。基于CsPbBr3全无机钙钛矿太阳能电池的开路电压可以达到1.22V,高于其他有机-无机杂化的太阳能电池(图2d),根据光电转换效率图(图2e),整个光电流密度可以达到5.8mA/cm2。

 

该全无机太阳能电容器的工作机理是在光照条件下,太阳能电池单元进行能量的转换,超级电容器单元则进行能量的存储。当需要给外部提供能量时,超级电容器部分进行放电(图3a,b)。由于CsPbBr3基全无机钙钛矿太阳能电池的开路电压较高,使得整个太阳能电容器的光充电电压可达1.2V,无需外接电路进行恒流充电(图3c)。整个太阳能电容器的“光-电化学-电”的能量转化效率可达5.1%(图3d)。此外,经过1000圈的光充电/恒流放电循环测试,仍然具有优异的循环稳定性(图3e)。在太阳光照射下一段时间,整个器件的开路电压仍然保持稳定(图3f)。

全无机钙钛矿光电容实现在阳光下可高效、稳定的自发充电

图3. 全无机太阳能电容器的光充电性能。(a)太阳能电容器的光充过程。(b)太阳能电容器的放电过程。(c)CsPbBr3基全无机钙钛矿太阳能电容器与MAPbI3基太阳能电容器的光充电/恒流放电过程对比。(d)全无机太阳能电容器的“光-电化学-电”的能量转化效率。(e)太阳能电容器的光充电/恒流放电循环稳定性测试。(f)在太阳光照射下的电压稳定性测试。

 

总之,通过采用纳米碳层作为电荷存储媒介,该课题组将全无机钙钛矿太阳能电池单元和全无机超级电容器单元组装成集成式的光电容器件。利用全无机钙钛矿太阳能电池的高开路电压,制备的太阳能电容器无需额外的恒流充电,可以获得高的工作电压,且具有快速的光充速率、高的能量转换效率以及长的循环寿命。这种新颖的器件设计思路为新型能源转化储存集成装置的开发提供了有益的启示。

 

Jia Liang, Guoyin Zhu, Caixing Wang,Peiyang Zhao, Yanrong Wang, Yi Hu, Lianbo Ma, Zuoxiu Tie, Jie Liu, Zhong Jin, An All-Inorganic Perovskite Solar Capacitor for Efficient and Stable Spontaneous Photocharging, Nano Energy, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.07.060

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