文章題目：Photon energy loss and management in perovskite solar cells

關(guān)鍵詞：Energy loss,?Photon management,?Light harvesting,?Perovskite solar cells

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970222000037

????近日，蘭州大學(xué)靳志文教授團隊聯(lián)合中國科學(xué)院化學(xué)研究所李永舫院士在Energy Reviews發(fā)表文章“Photon energy loss and management in perovskite solar cells”, 該文章詳細介紹了限制鈣鈦礦太陽能電池性能提升的關(guān)鍵因素—光子能量損失的主要來源，并就控制這一因素的主要研究成果進行了總結(jié)。

01?內(nèi)容簡介

????1.?Introduction （前言）

????2.?Light utilization and loss in PSCs（鈣鈦礦太陽能電池光子能量的利用和損失）

????3.?Optical management for enhanced light harvesting in PSCs（促進光吸收的光子管理措施）

????????3.1.?Implement anti-reflection coating （減反射圖層）??

????????3.2. Plasmonic strategies （等離子激元）??

????????3.3.?Broaden the available spectrum （拓寬吸收譜）

????????3.3.1.?Downconversion strategies?（降頻策略）

????????3.3.2.?Upconversion strategies （升頻策略）

????4.?Summary and prospects（結(jié)論和展望）

02?內(nèi)容亮點

????1、系統(tǒng)分析了鈣鈦礦太陽能電池中光子損失的主要來源，并強調(diào)了光子回收對未來提升器件性能的潛在意義;

????2、從光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度總結(jié)了通過減少光散射和促進光子吸收等調(diào)控鈣鈦礦太陽能電池效率的手段;

????3、展望了研發(fā)無稀土光譜轉(zhuǎn)換材料以及機器學(xué)習(xí)在鈣鈦礦太陽能電池研究中的積極意義。

03?內(nèi)容簡介

氣候變化是人類當(dāng)前面臨的最重要的問題，化石能源消耗帶來的溫室氣體排放引發(fā)的全球氣候變暖讓世界各國又一次站在能源革命的轉(zhuǎn)折點。在此背景下，鈣鈦礦太陽能電池由于優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能被寄予厚望。鈣鈦礦太陽能電池的效率已經(jīng)突破25%。隨著研究的深入，人們越來越好奇，它的性能是否會進一步提高乃至達到理論極限。

????因此，了解基本的能量損失機制和定向優(yōu)化策略是必要的，特別是光子在器件中的確定和管理。在這篇文章中，我們首先簡要回顧了光子能量損失的主要模式，并說明了光子回收的意義。重點介紹了在鈣鈦礦太陽能電池中克服這些損耗機制的歷史研究試驗，包括減反射涂層的應(yīng)用、等離子體策略以及上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換材料的采用。最后，我們對未來光子管理的改進策略進行了簡要的總結(jié)和展望。

04?重要結(jié)論

????在這篇簡短的綜述中，我們描述了由于本征鈣鈦礦材料的帶隙和器件中的光物理過程而導(dǎo)致的不完全光子循環(huán)引起的光學(xué)損耗。相應(yīng)地，我們還總結(jié)了一些有特色的促進光學(xué)吸收的管理措施，包括光學(xué)減反射涂層、等離子體激元策略和吸收光譜展寬(升/降頻策略)。然而為了使鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率真正達到理論極限，以下想法可能具有啟發(fā)性：

????1、挖掘光子回收利用的潛力

????光子再循環(huán)應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池的主要好處是通過重新吸收輻射發(fā)射的光子來增加活性層內(nèi)的準(zhǔn)費米能級分裂(Δμ)，從而增加開路電壓。這意味著光生載流子以輻射方式復(fù)合，而不是通過Shockley-Read-Hall(SRH)復(fù)合過程。SRH復(fù)合是指由缺陷態(tài)引起的非輻射復(fù)合，主要存在于活性層表面和器件界面上。因此，在今后的鈣鈦礦太陽能電池制備中，應(yīng)注意提高活性層的質(zhì)量和優(yōu)化界面缺陷，以減少器件中的SRH復(fù)合，提高輻射復(fù)合率。此外，需要深入了解光捕獲的潛力，以確保最大限度地增強內(nèi)部發(fā)射光子的光路。

????2、開發(fā)非稀土光譜轉(zhuǎn)換材料

????升/降頻材料的設(shè)計和應(yīng)用是提高入射光譜利用率的重要途徑，因此對可溶液處理、光穩(wěn)定和低成本的轉(zhuǎn)頻材料的需求越來越大。大多數(shù)轉(zhuǎn)頻材料含有鑭系元素，其合成需要高溫，而地球上這些材料的儲量有限。非稀土轉(zhuǎn)頻材料的開發(fā)可能成為未來經(jīng)濟高效的器件應(yīng)用的一種途徑。此外，大多數(shù)轉(zhuǎn)頻材料都應(yīng)用在透明電極的一側(cè)，開發(fā)可以摻雜緩沖層或鈣鈦礦活性層的轉(zhuǎn)頻材料是一個值得重點關(guān)注的方向。相應(yīng)地，未來的轉(zhuǎn)頻材料需要具有雙重功能，也就是說除了具有轉(zhuǎn)換光譜的功能外，它們還應(yīng)該具有鈍化缺陷和促進電荷傳輸?shù)哪芰Α?/p>

????3、建模和仿真

????在材料選擇和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，改善鈣鈦礦太陽能電池的光學(xué)損耗是一項具有挑戰(zhàn)性和耗時的任務(wù)。近年來，機器學(xué)習(xí)被應(yīng)用于鈣鈦礦材料的篩選，有望指導(dǎo)高效鈣鈦礦太陽能電池的新材料和新器件結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計。因此，利用計算機模擬了光子在器件中的最大可能光程，為光子循環(huán)的高效利用提供了依據(jù)。此外，還選擇了適合光譜轉(zhuǎn)換的綠色廉價材料，以幫助快速提高器件性能。在未來，探索高性能的功率因數(shù)校正系統(tǒng)勢必需要理論建模和仿真方法。

作者簡介：

靳志文，蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授。主要研究方向為基于金屬鹵化物半導(dǎo)體的X射線探測器的設(shè)計與多功能集成。近五年，以第一/通訊作者在Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Joule，Mater. Today，Adv. Mater.，IEEE Electron Device Lett.，Sci. Bull.，Nano Lett.，Adv. Funct. Mater.等高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文50余篇，其中，1篇論文獲“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”。應(yīng)邀參與撰寫了《先進X射線探測：醫(yī)學(xué)成像與工業(yè)應(yīng)用（Springer 出版）和《鈣鈦礦材料與器件》（Wiley出版）兩本著作。主持國家自然科學(xué)基金等項目多項、作為骨干參與國家重點研發(fā)計劃1項。

李永舫，中國科學(xué)院院士，英國皇家化學(xué)會會士，中國化學(xué)會常務(wù)理事。主要從事聚合物太陽能電池光伏材料和器件、導(dǎo)電聚合物電化學(xué)和半導(dǎo)體納米材料等方面的研究，已發(fā)表研究論文800多篇，國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議大會報告和邀請報告130多次。發(fā)表論文已被SCI他人引用60000余次，h-因子122。1998年獲人事部授予中青年有突出貢獻專家稱號，1995年獲國家自然科學(xué)獎二等獎（第二完成人）、2005年獲北京市科學(xué)技術(shù)獎一等獎（第一完成人）、2012年獲美國化學(xué)會授予高分子學(xué)術(shù)報告獎。2013和2014年分別入選湯森路透發(fā)布的全球Hottest Scientific Researchers 21人名單和Highly cited researchers材料科學(xué)領(lǐng)域147人名單。

Energy Reviews

簡介

????《Energy Reviews》是由深圳大學(xué)主辦，聯(lián)合 Elsevier出版集團創(chuàng)辦的一本國際性、跨學(xué)科、高質(zhì)量開放獲取?(Open Access)?學(xué)術(shù)期刊，由謝和平院士擔(dān)任創(chuàng)刊主編，美國工程院Derek Elsworth院士、中國科學(xué)院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大學(xué)倪萌教授擔(dān)任聯(lián)合主編。發(fā)表能源領(lǐng)域前沿方向、最新進展、發(fā)展趨勢、權(quán)威觀點等高質(zhì)量學(xué)術(shù)文章，構(gòu)建全球能源一流成果和一流學(xué)者的合作交流平臺，向公眾傳播有影響力的能源領(lǐng)域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理論、新方法和新技術(shù);?能源研究的多學(xué)科（材料、物理、化學(xué)、生物等）交叉融合探索技術(shù);?化石能源低碳利用與CCUS;?氫能、可再生能源與儲能先進技術(shù);?新型能源轉(zhuǎn)換方式探索與應(yīng)用;??能源領(lǐng)域現(xiàn)代信息技術(shù)（人工智能，大數(shù)據(jù)）等相關(guān)方向的優(yōu)質(zhì)稿件。

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