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福州大学程树英教授课题组在柔性CZTSSe薄膜太阳能电池上取得重要研究进展
发布时间: 2021年05月26日


近日,福州大学物信学院程树英教授团队在前期探索和研究基础之上,为解决室内弱光且多方向性的收集问题,提出室内光伏装饰一体化设想,创新性地设计了双面对称的柔性CZTSSe薄膜电池,实现了室内能源的有效利用。该工作成果以福州大学为第一作者单位发表在Nature CommunicationsNat Commun12, 3107 (2021),青年教师邓辉博士为该论文的第一作者,程树英教授为通讯作者。

室内光伏发电是通过吸收利用生活中灯光达到节能环保的目的,促进智能住宅产业的发展。柔性Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe)薄膜太阳能电池具有绿色环保、成本低廉、稳定高效的特点,在室内光伏市场具有巨大的发展潜力。由于室内光照较弱且具有多方向性,能量的收集和利用变得尤为困难。程树英教授团队提出的双面对称的柔性CZTSSe薄膜太阳能电池,不仅具有优良的弱光性能和柔性无毒的特点,而且能够有效收集来自于四面八方的光线,为新型室内光伏应用产品的发展提供方案。

图1. (a)双面CZTSSe的室内光伏应用设计;(b)器件照片和结构示意图;(c)双面器件性能统计;(d) J-V 曲线;(e)EQE曲线

该光伏器件具有双面对称结构(Ag /ITO /ZnO /CdS /CZTSSe /MoSe2 /Mo /MoSe2 /CZTSSe /CdS /ZnO /ITO /Ag)。该器件关键之处为采用了60微米厚高导电性的Mo箔作为衬底,完美兼容了传统CZTSSe体系及工艺,不仅具有足够强度支撑两侧的多层薄膜,而且显示出高的弯曲性能。在制作过程中,创新地采用两侧同步交替沉积的方式,衬底清洗、自旋涂层、退火、硒化和化学水浴沉积等工艺通过一次性的实验制备得到两侧薄膜,保持了两面的一致性,节省了时间和成本。

通过对性能的优化,该器件在标准太阳光下两面的效率分别为9.3%和9%,在1.5-18.5mw/cm2弱LED照明下,器件的效率也达到6-8.8%,处于国际领先水平。另外,在50°角状态下弯曲3000次后,器件的两面同时承受拉伸和挤压应力,双面柔性CZTSSe电池可以保持原有效率的95%以上完全满足室内柔性装饰的使用要求。

由于Mo箔是良好的导体,双面CZTSSe太阳能电池共用了同一衬底,易实现两端的并联。正反面分别采用1个太阳光和0.3倍太阳光照射,并联电路的输出短路电流为8.7mA,实现前电池(7.0mA)和后电池(2.1mA)的电流叠加,损耗<5%。该双面器件可直接利用全方位光,通过衬底旋转产生周期性的可变电流,显著提高了面积利用率。

该工作得到国家自然科学基金、福建省科技厅和福州大学等多个渠道经费支持。文章的链接https://www.nature.com/articles/s41467-021-23343-1