钙钛矿太阳电池廉价新材料有望面世

正廉价的空穴传输材料的提出和利用降低了钙钛矿电池的成本,提高了电池的稳定性,为钙钛矿太阳电池的大规模生产提供了技术借鉴。随着钙钛矿太阳电池技术的发展,目前其最高光电转换效率已超过15%,高于新一代薄膜太阳电池的效率。但是,目前报道的钙钛矿太阳电池所采用的电荷传输材料都是有机聚合物,大大增加了成本。为解决这一问题,美国圣母大学研究人员在研究钙钛矿太阳电池技术时,首次提出了利用廉价的性能优异的碘化铜(CuI)无机空穴传输材料替代常用的价格昂贵的有机空穴传输聚合物材料(spiro—OMeTAD)。     

衬底温度对碲化镉薄膜性质及太阳电池性能的影响

蒸汽输运法是制备高质量且大面积均匀的CdTe薄膜的一种优良的方法。采用自主研发的一套蒸汽输运沉积系统制备了CdTe多晶薄膜, 并研究了衬底温度对CdTe薄膜性质及太阳电池性能的影响。利用XRD、SEM、UV-Vis和Hall等测试手段研究了衬底温度对薄膜的结构、光学性质和电学性质的影响。结果表明, 蒸汽输运法制备的CdTe薄膜具有立方相结构, 且沿(111)方向高度择优。随着衬底温度的升高(520℃~640℃), CdTe薄膜的平均晶粒尺寸从2 μm增大到约6 μm, CdTe薄膜的载流子浓度也从1.93×10¹⁰ cm^-3提高到2.36×10¹³ cm^-3, 说明提高衬底温度能够降低CdTe薄膜的缺陷复合, 使薄膜的p型更强。实验进一步研究了衬底温度对CdTe薄膜太阳电池性能的影响, 结果表明适当提高衬底温度, 能够大幅度提高电池的效率、开路电压和填充因子, 但是过高的衬底温度又会降低电池的长波光谱响应, 导致电池转换效率的下降。经过参数优化, 在衬底温度为610℃、无背接触层小面积CdTe薄膜太阳电池的转换效率达到11.2%。     

新型多孔导电陶瓷负载银阴极在锌空气电池中的应用

锌空气电池具有能量密度高、成本低及环保等优势, 其空气电极的优劣对电池的输出性能起到决定性的作用。本研究采用一种新型的多孔钙钛矿氧化物La_0.7Sr_0.3CoO_3-δ(LSC)作为陶瓷基底, 负载银纳米颗粒作为催化剂, 研究其作为锌空电池空气电极的性能。β通过调整制备过程中造孔剂(淀粉)的含量, 优选出性能最佳的Ag-LSC空气电极(阴极), 与锌阳极组装成锌空气电池, 进行电化学性能测试。β结果表明, 当LSC基底的孔隙率为~32%且银含量30 mg/cm²时, 制备的多孔陶瓷负载银阴极组装的锌空气电池功率密度最高(141 mW/cm²)。β在Ag-LSC空气电极表面涂一层聚四氟乙烯(PTFE)疏水材料后, 锌空气电池的使用寿命得到显著延长。     

不同晶相MnS制备及光解H2S制氢性能研究

采用溶剂热法成功制备了具有立方结构的α-MnS和六方结构的γ-MnS。通过X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM), 透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、选区电子衍射(SAED)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis), 对样品的物相组成、显微形貌、光学性质进行了研究, 并对不同晶相MnS在可见光(λ > 420 nm)和全光谱下光解H₂S制氢性能进行了研究。结果表明: α, γ-MnS在可见光下都具有光解H₂S制氢活性, 且相比于热力学稳定相的α-MnS (4.24 μmol/(g·h)), 亚稳态的γ-MnS (23.38 μmol/(g·h))具有更好的催化性能。相对于可见光, α, γ-MnS在全光谱下的产氢速率明显提高, 其中γ-MnS在全光谱下具有最大的光解H₂S制氢活性, 其产氢速率可达 2272.69 μmol/(g·h)。值得注意的是, 在6 h的光催化测试过程中, α, γ-MnS都展示较好的抗光腐蚀能力和光催化稳定性。此外, 对α, γ-MnS光催化分解H₂S制氢机理进行了分析, 通过对α, γ-MnS光电化学性质的研究, 对其光催化活性存在差异的原因进行了探讨。     

In:Ga2O3氧化物半导体晶体的生长与性能研究

β-Ga₂O₃晶体是一种新型宽禁带氧化物半导体材料, 本征导电性差。为了在调控导电性能的同时兼顾高的透过率和结晶性能, 离子掺杂是一种有效的途径。采用光学浮区法生长出ϕ8 mm×50 mm蓝色透明In:Ga₂O₃晶体, 晶体具有较高的结晶完整性。In³⁺离子掺杂后, β-Ga₂O₃晶体在红外波段出现明显的自由载流子吸收, 热导率稍有减小。室温下, In:Ga₂O₃晶体的电导率和载流子浓度分别为4.94×10^-4 S/cm和1.005×10¹⁶ cm^-3, 其值高于β-Ga₂O₃晶体约1个数量级。In:Ga₂O₃晶体电学性能对热处理敏感, 1200℃空气气氛和氩气气氛退火后电导率降低。结果表明, In³⁺离子掺杂能够调控β-Ga₂O₃晶体的导电性能。     

纳米线透明导电薄膜的制备及在光电器件中的应用

基于纳米线的透明导电薄膜具有光电性能优异、制备成本低廉以及可用于制备柔性器件等优点,在透明导电薄膜材料领域占据重要地位。文章着眼于阐述纳米线透明导电薄膜的制备及其在光电器件中的应用。首先详细介绍了滴涂、浸渍、抽滤、迈耶棒涂布、旋涂、喷印、印刷等7种制备纳米线透明导电薄膜的方法。光电器件是应用透明导电薄膜的重要领域,文章还介绍了纳米线透明导电薄膜在太阳能电池和电致发光器件中的应用。纳米线透明导电薄膜中,银纳米线和铜纳米线透明导电薄膜最受关注,其制备工艺日趋完善,有望率先在工业应用中取得突破。     

固体氧化物燃料电池阳极的相转化流延制备和电化学性能研究

采用相转化流延一步制备了NiO-Zr_0.84Y_0.16O_2-δ (YSZ)阳极支撑层和功能层, 前者厚度为~700 μm, 含有沿厚度方向定向排列的开放直孔, 后者厚度为~60 μm。采用浆料涂膜法和高温共烧在阳极上制备厚度为15 μm的YSZ电解质薄膜, 丝网印刷制备YSZ-La_0.84Sr_0.16MnO_3-δ (LSM)(质量比50:50)阴极。所制备的单电池显示出较高的电输出性能。以H₂-3%H₂O为燃料和环境空气为氧化剂, 800 ℃时电池的峰功率密度达到891 mW/cm², 电池即使在高电流密度测试条件下也未出现明显的浓差极化, 这是由于其阳极具有开放直孔结构, 气相输运阻力小。     

基于Pr0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ对称固体氧化物燃料电池的性能优化研究

采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法分别合成了Pr_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(PSCF)和Gd_0.2Ce_0.8O_2-δ(GDC)粉体, 高温固相法合成La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ(LSGM)电解质粉体。以LSGM为电解质, PSCF同时作为阴极和阳极, GDC作为功能层材料, 构建了对称固体氧化物燃料电池PSCF│GDC│LSGM│GDC│PSCF。利用X射线衍射法研究材料的成相以及相互间的化学稳定性, 交流阻抗法记录界面极化行为, 用扫描电子显微镜观察电池的断面微结构, 用自组装的测试系统评价电池输出性能。结果表明, 合成的PSCF粉体呈立方钙钛矿结构, 具有良好的氧化-还原可逆性。使用GDC功能层明显改善了氢气环境下PSCF与LSGM材料间的化学相容性以及电池的输出性能, 800℃时, 电极│电解质界面极化电阻从6.892 Ω·cm²下降到0.314 Ω·cm²; 以加湿H₂(含体积分数3%的水蒸气)为燃料气, 空气为氧化气时, 单电池输出功率密度由269 mW/cm²增大至463 mW/cm²。研究结果显示, PSCF是对称固体氧化物燃料电池良好的候选电极材料, GDC功能层对改善电池长期稳定性能具有潜在的应用价值。     

中温固体氧化物燃料电池Nd2NiO4+δ-Ce0.8Gd0.2O2-δ复合阴极性能研究

研究了Nd₂NiO_4+δ (NNO)-Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ (CGO)复合化合物在中温固体氧化物燃料电池的性能, 包括NNO-CGO复合阴极的烧结温度以及复合比例。采用流延法、丝网印刷法和高温烧结法相结合制备了尺寸为50 mm × 50 mm的平板式NiO-YSZ阳极支撑SOFC。单电池是由NiO-YSZ阳极支撑层、NiO-YSZ阳极功能层、YSZ电解质层, CGO阻挡层, NNO-CGO复合阴极层以及La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ (LSC)集流层共同组成。研究结果表明, 当70NNO-30CGO复合阴极烧结温度为1000℃, 单电池在800℃展现出最大功率密度385 mW/cm² (0.7 V), 欧姆阻抗、极化阻抗和面积比电阻分别为0.31、0.266和0.576 Ω·cm²。电化学阻抗分析结果表明, 电荷转移阻抗是电池极化阻抗的主要来源。测试后电池截面的SEM观察结果显示电池各层之间均展现出良好的烧结结合。同时, 与前期研究结果比较可以发现, 具有相同复合阴极层的电池增加CGO阻挡层后功率密度下降, 欧姆阻抗增加, 但极化阻抗却降低。     

Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ-Ce0.9Gd0.1O2-δ中低温固体氧化物燃料电池复相阴极的研究

采用溶胶-凝胶法制备Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(BSCF)粉体后, 使用Ce_0.9Gd_0.1O_2-δ(GDC)溶胶包裹BSCF粉的方法制备疏松多孔的BSCF-xGDC(x=30wt%, 40wt%, 50wt%)复相阴极。通过X射线衍射仪、场发射扫描电镜和透射电镜对复相阴极的物相组成、单电池断面形貌及GDC对BSCF颗粒的包裹形貌进行表征。利用阻抗谱测试研究了复相阴极材料的电化学性能, 讨论了掺入GDC量对阴极性能的影响。结果表明：通过GDC溶胶包裹BSCF粉体的制备方法改善了阴极的电化学性能, 在同一温度下, BSCF-40GDC阴极的极化电阻最小, 在650℃时阴极极化阻抗约为0.397 Ω•cm²; 以BSCF-40GDC为阴极制备的单电池, 以H₂+3%H₂O为燃料气、空气为氧化气体, 650℃下电池的最大功率密度为0.514 W/cm², 欧姆电阻为0.257 Ω•cm², 两极极化电阻为0.0588 Ω•cm²。     

TiN/VCN多层膜的力学性能及摩擦磨损性能研究

采用多靶磁控溅射技术, 制备了TiN、VCN单层膜及调制比为1:1的系列调制周期的TiN/VCN多层膜。利用X射线衍射仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损测试仪和扫描电子显微镜研究了各种薄膜的微结构、力学性能及室温和高温摩擦磨损性能。研究表明: TiN/VCN多层膜以δ-NaCl面心立方结构为主; TiN/VCN多层膜的最大硬度值为28.71 GPa, 约为按混合法则计算所得理论硬度值的1.23倍, 并据此分析了TiN/VCN多层膜的致硬机理; TiN/VCN多层膜在室温下摩擦系数与TiN单层膜摩擦系数相近, 但当环境温度为700℃时, 摩擦系数约0.4, 较TiN单层膜(0.52)低。TiN/VCN多层膜室温和高温下的磨损率相比TiN单层膜减小了约3×10^-14 m³/(N·m)。从晶体化学和热测量方法角度讨论了TiN/VCN多层膜的Magnéli相V₂O₅的润滑机制。     

ZnO layers grown by Atomic Layer Deposition: A new material for transparent conductive oxide

We demonstrate possibility of a control (by selection of zinc precursors and variation of a growth temperature) of electrical properties of ZnO films grown by Atomic Layer Deposition (ALD). ZnO films grown by ALD are used in test photovoltaic devices (solar cells) as transparent conductive oxides for upper, transparent layer in inorganic and organic solar cells, and as n-type partners of p-type CdTe.     

Transparent conductive In2O3:Mo thin films prepared by reactive direct current magnetron sputtering at room temperature

An amorphous transparent conductive oxide thin film of molybdenum-doped indium oxide (IMO) was prepared by reactive direct current magnetron sputtering at room temperature. The films formed on glass microscope slides show good electrical and optical properties: the low resistivity of 5.9 × 10^− 4 Ω cm, the carrier concentration of 5.2 × 10²⁰ cm^− 3, the carrier mobility of 20.2 cm² V^− 1 s^− 1, and an average visible transmittance of about 90.1%. The investigation reveals that oxygen content influences greatly the carrier concentration and then the photoelectrical properties of the films. Atomic force microscope evaluation shows that the IMO film with uniform particle size and smooth surface in terms of root mean square of 0.8 nm was obtained.     

Quasicrystal films: numerical optimization as a solar selective absorber

Selective absorbers for solar thermal energy applications have to show high solar absorptance _s and low thermal emittance ε_h. Stability against oxidation and diffusion is indispensable, especially at high absorber temperatures. The new class of quasicrystalline materials seems to have favourable properties regarding stability. With a genetic algorithm a thin film stack based on dielectric and quasicrystal films was optimized as a selective absorber. A sandwich system dielectric/quasicrystal/dielectric on copper has highly selective properties: _s = 0.86 and ε_h (400 °C) = 0.051. Even better results can be achieved, at least in theory, by the use of a cermet. The optical constants of cermets with the quasicrystalline material as the metal were calculated with the Bruggeman theory. A system of a cermet film and an additional antireflective coating on copper shows _s = 0.92 and ε_h (400 °C) = 0.048.     

The properties of heterojunction based on CuI/pentacene/Al

To improve the injection of charge carriers from ITO electrode into the molecular semiconductor in the pentacene-based photovoltaic structures, we propose introducing an additional transport copper iodide (CuI) layer with high conductivity. The organic flexible barrier based on ITO/CuI/pentacene/Al was fabricated using flexible polyethyleneterephtalate substrate with conductive ITO layer by vacuum deposition technique. CuI films, annealed at the temperature of 523 K, exhibited optical transmittance ∼80% in the wavelength range 400-900 nm, minimum resistivity about 1.8 × 10³ Ω/sq, and developed surface. They were used for fabrication of photosensitive barrier structure on the basis of pentacene.     

电弧离子镀CrAlN-DLC硬质复合薄膜的成分、结构与性能

为了改善CrAlN薄膜的摩擦性能, 本研究在增强磁过滤脉冲偏压电弧离子镀设备上, 用分离靶弧流调控技术在硬质合金基体上分别制备了不同成分的CrAlN-DLC硬质复合薄膜, 并采用不同手段表征了薄膜的表面形貌、成分、相结构以及力学和摩擦性能。结果表明, 不同成分薄膜表面均平整致密, 膜厚均在1.05 μm左右。随着靶弧流比I_C/I_CrAl的升高, 薄膜中碳的原子分数由33.1%升至74.6%。薄膜的相结构主要由晶体相和非晶相复合组成, 其晶体相主要为c-(Cr,Al)N相, 且随着碳含量增大晶体相减少、晶粒尺寸减小, 其非晶相主要为DLC, 其中sp²/sp³的比值随碳含量增大而减小。相应地, 薄膜的硬度随着碳含量增大而提高, 当碳的原子分数为74.6%时, 达到最大值(26.2±1.4) GPa, 且该成分点处薄膜摩擦系数也降至最小值0.107, 磨损率仅为3.3×10^-9 mm³/Nm。综合而言, 当非晶DLC相最多时, CrAlN-DLC复合薄膜的综合性能达到最佳, 较之CrAlN薄膜, 摩擦性能显著提高。     

掠射角溅射沉积纳米结构氧化钨薄膜

采用掠射角反应磁控溅射法在室温下沉积了纳米结构氧化钨(WO₃)薄膜, 并对薄膜进行热处理。利用场发射扫描电镜(FE-SEM)和X射线衍射仪(XRD)对氧化钨薄膜的形貌和结构进行了表征。当掠射角度为80°时, 采用直流电源沉积的氧化钨薄膜具有纳米斜柱状结构, 而采用脉冲直流电源沉积的薄膜呈现纳米孔结构。纳米薄膜经450℃热处理3 h后, 纳米斜柱彼此连接, 失去规整结构, 而纳米孔结构的孔尺寸变大。XRD分析表明室温沉积的氧化钨薄膜具有无定形结构, 经450℃热处理1 h后, 转变为单斜晶相。具有纳米斜柱状或纳米孔结构氧化钨薄膜的光学调制幅度在波长600 nm时达到60%, 且电致变色性能可逆。     

CdTe thin film solar cells: Interrelation of nucleation, structure, and performance

The performance of CdTe solar cells as prototype of thin film solar cells strongly depends on film morphology. The needs for high solar cell performance using thin film materials will be addressed covering nucleation and growth control of thin film materials. In order to understand the basic growth mechanisms and their impact on cell performance, we have systematically investigated the growth of CdTe thin films by Close Spaced Sublimation (CSS) using the integrated ultra-high vacuum system DAISY-SOL. CdTe thin films were deposited on TCO/CdS substrates (transparent conductive oxide) held at 270 °C to 560 °C. The properties of the films were determined before and after CdCl₂ treatment using X-ray diffraction and electron microscopy. In addition, solar cells were prepared to find correlations between material properties and cell efficiency. At low sample temperature the films tend to form compact layers with preferred (111) orientation which is lost at elevated temperatures above 450 °C. For CdS layers without (0001) texture there is in addition a low temperature regime (350 °C) with (111) texture loss. After activation treatment the (111) texture is lost for all deposited layers leading to strong recrystallisation of the grains. But the texture still depends on the previous growth history. The loss of (111) texture is evidently needed for higher performance. A clear correlation between cell efficiency and the texture of the CdTe film is observed.