更新时间：2024-01-05 11:52:14 点击量：
在本论文合辑中，我们汇集了发表在Joule《焦耳》期刊不同栏目中关于太阳能光伏领域的高影响力论文。所有文章均可免费阅读下载！
评价有机光伏材料和器件的工业生产潜力是一个具有超大参数空间的多维优化过程。本文中，德国埃尔兰根-纽伦堡大学的Christoph J. Brabec教授与Xiaoyan Du等人描述了机器智能的OPV材料和器件的效率和光稳定特性。本文利用了基于光吸收特性的高斯回归过程（GPR）来预测和指导优化过程。该方法可以准确地预测PV参数和老化损耗。在约100次处理过程和优化后，70小时内即可完成对效率和光稳定性的筛选。通过该机器智能制造的模型材料系统PM6:Y6可以再空气中达到 14%的最高功率转换效率（PCE）。另外，进一步的效率优化可以通过改进分子排序的方式实现。结合较薄的活性层与中温热退火的方式，可以提高效率并抑制老化损耗。本文的策略可以扩展到用其它溶液处理的有机半导体和界面材料的应用中。
华南理工大学叶轩立教授课题组在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了有关无掺杂有机小分子空穴传输材料的最新研究成果。在本项研究中，研究人员结合线性有机小分子空穴传输材料的设计经验，创新性地提出了一种D-A-π-A-D分子构型，用于制备高效且低成本的无掺杂有机小分子空穴传输材料。通过分子构型设计，目标分子DTB-FL实现了良好的层状分子堆积排列以及延伸的π共轭长度，从而实现了其优异的空穴传输性能。此外，基于DTB-FL所制备的无掺杂空穴传输层展现出良好的表面钝化效果以及匹配的界面能级排列，这使得空穴传输层/钙钛矿界面处的非辐射复合得到有效抑制，从而电荷的分离与提取效率得到了大幅提升。本文中，基于DTB-FL所制备的钙钛矿电池实现了21.5%的光电转换效率，是目前基于无掺杂有机小分子空穴传输材料的钙钛矿电池器件中最高效率的器件之一。在稳定性方面，DTB-FL材料展现出的高表面抗水性、良好的薄膜形貌以及增强的表面缺陷钝化效果，使得所制备的器件在湿度、光照和高温环境下均呈现出优异的长效稳定性。该研究为制备兼具低成本、简易合成且高性能的新型无掺杂有机小分子空穴传输材料提供了一条有效途径。
在硅串联太阳能电池中，三碘化铯铅（CsPbI3）具有理想的带隙，不需要与混合卤化物一起使用。并且由于其含有无机成分，所以具有较高的热稳定性。然而，与带隙相同的有机阳离子卤化物钙钛矿相比，CsPbI3的能量转换效率（PCE）较低。CsPbI3薄膜的表面形貌和缺陷钝化是影响其能量转换效率的主要因素。在本研究中，韩国蔚山科学技术大学(UNIST)的Sang Il Seok教授团队使用连续滴入甲基氯化铵（MACl）溶液（SDMS）的方法，通过控制结晶过程的中间阶段，获得高度均匀和针孔最小的薄膜，然后在环境空气中使用辛基碘化铵进行表面钝化。SDMS加速了CsPbI3钙钛矿层的结晶过程，形成均匀致密且针孔较少的表面。因此获得了高能量转换效率（20.37%）的CsPbI3太阳能电池。
大多数常用的太阳能电池都是以硅材料为基础制成的，因为硅这种材料可以将太阳能转化为清洁的电能。但是，制造硅的过程却并不清洁，需要大量来自电厂的能量，而这些电厂又产生了大量的二氧化碳排放。来自斯坦福大学（Stanford University）、美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）研究人员组成的科研团队，在钙钛矿太阳能电池量产方面取得了突破性研究。在这项工作中，研究人员展示了一种可以快速、稳定生产钙钛矿电池的新方法，并将所制造的钙钛矿电池组装成太阳能模块，为设备、建筑物甚至电网供电。
有机太阳能电池是由富勒烯分子作为电子受体与供体：受体（D：A）界面形成体相异质结，解离光学产生的高结合能Frenkel激子。近年来，人们发现非富勒烯分子可以作为电子受体来产生有效的D：A界面，从而有效地解离高结合能的激子。美国田纳西大学诺克斯维尔分校的Bin Hu和华南理工大学叶轩立教授报道了在非富勒烯太阳能电池（[ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO3/Ag]）中的供体：受体界面发生的自激解离，以完全分离电子-空穴对，从而具有高效的光伏作用。
如今，钙钛矿硅串联太阳能电池在标准测试条件下已经优于晶体硅太阳能电池，并有望在未来几年内实现商业化。考虑到该技术的进一步发展，需要确定用于实际操作条件的最佳架构。最近，三结（3T）钙钛矿-硅串联结构首次有了样板。该技术结合了两结（2T）和四结（4T）结构的优点，因此具有广阔的前景。卡尔斯鲁厄理工学院Ulrich W. Paetzold等人研究钙钛矿-硅串联结构，尤其突出强调了3T结构。本文比较了不同架构钙钛矿硅串联太阳能电池的电学和光学特性，强调了3T架构的优势。然后，作者研究了该电池组在室外条件的能量产量，以及不同气候条件下的性能。
碘缺陷在Si等共价型半导体中不会作为非辐射复合位点。然而在离子型钙钛矿材料中，因为FAPbI3的亚稳态、充电的缺陷位点移动等，碘缺陷位点会严重影响钙钛矿太阳能电池的长期工作稳定性。加州大学洛杉矶分校的杨阳（Yang Yang）课题组发现在后处理过程中，通常碘缺陷位点会在不经意间被引入，导致立方相-六方相转化能垒降低，加快FAPbI3的分解。这种碘缺陷能够通过三氟乙酸盐处理而缓解，从而改善太阳能电池性能。
瑞士西北应用科技大学Markus Lenz等人指出，要实现太阳能电池发电对环境的低影响，关键点在于高能量转换效率、长寿命和生产过程中最小的能量和材料需求。新兴的光电薄膜，如在塑料衬底上的钙钛矿太阳能电池，有望满足所有这些要求。但在真实的运行条件下，光伏运行往往受到生物应激源的挑战，这一点在任何测试中都还没有被纳入评估。这样的压力源会导致生物恶化，损害各种明显的惰性材料，如岩石、玻璃和钢铁，因此可能会显著影响塑料基太阳能电池的功能和稳定性。考虑到不同的光伏技术通常使用相似的材料，如果它们发生得足够快（在光伏的预期寿命内），生物恶化机制就可能会影响这几种技术的效率和寿命。一旦最上层模块层的物理完整性受到生物膜生长的影响，光伏功能材料就很可能发生微生物介导的溶解和沉淀反应。基片和密封件的生物劣化处也可能成为对环境有害的光伏成分的释放点。
华南师范大学先进光电子研究院周国富教授团队青年拔尖人才辇理研究员在有机太阳能电池研究方面再获重大突破：创造了全小分子有机太阳电池效率的世界纪录。本工作中，研究人员提出使用结构相近的两种小分子受体6TIC和4TIC共同作为受体的方法，利用4TIC的强结晶性改善共混薄膜微观形貌。超快光谱数据表明4TIC的加入能有效抑制薄膜中的双分子复合，最终实现了高达15.9%的能量转换效率，并在中国计量科学院获得了15.5%的效率认证。这是目前全球最高的全小分子有机太阳电池的效率。该论文对于材料选择、器件优化过程及结构-性能关系的挖掘、未来全小分子太阳电池的发展及商业化具有明显的指导意义。
最近，在为设计美观的接近零能耗太阳能窗户的候选材料中，发光太阳能聚光器（LSCs）成为其中重要的一员。对光伏部件建筑集成一体化日益增长的需求，推动了发展可持续性的生产方法，最大限度地减少有机污染溶剂和有害材料的使用，同时仍使工业级的发光太阳能聚光器成为可能。在这里，米兰比可卡大学的Luca Beverina等人介绍了一类新型苯并噻吩-苯并噻吩（BTBT）衍生物，作为透明发光太阳能聚光器的高效无重吸收排放物，它具有高稳定性和无溶剂化学可持续性因子低至21（比传统LSCs排放物低10至50倍）的特点。通过将BTBT发射体嵌入到光学级聚合物波导中，作者获得了高达3%的光功率效（相当于54%的光量子效率）的大面积（40 cm × 40 cm）发光太阳能聚光器。这些结果代表了绿色建筑可持续太阳能玻璃系统的重要进展。
华南理工大学黄飞教授课题组将烷基侧链工程引入到材料结构的设计中，合成了一种带有长支化烷基链（2-DT）的非富勒烯受体(DTY6)。长支化烷基链（2-DT）的引入提高了DTY6在非卤素溶剂中的溶解性，并有效拟制了其在成膜过程中的过度聚集行为。他们将DTY6与聚合物给体PM6共混，使用绿色溶剂二甲苯作为加工溶剂，印刷制备了18 cm2的大面积模组器件，获得了超过14%的光电转换效率（经国家光伏产业计量测试中心认证效率为13.98%），远远高于此前文献报道的同类面积模组器件效率。
不断刷新效率的钙钛矿电池与太阳能电池（HOPVs）以其自身的魅力使得人们在寻找它们的技术应用上乐此不疲。在探索的道路上，人们将目光定睛在太空飞行器上。尽管目前的无机硅太阳能电池板具有很高的效率，但它们不仅功率小而且还略显笨重，因此，轻巧的钙钛矿/有机太阳能电池便显得格外诱人。最近，德国慕尼黑工业大学的研究者们第一次将钙钛矿/有机太阳能电池借助火箭送往太空，在极端环境下，电池仍能高效率工作，并可以直接利用阳光或者来自地球表面的反射光，功率密度在7-14mW/cm2之间，该种子选手令人眼前一亮，展示其太空应用潜力。
钙钛矿太阳能电池作为新一代光伏技术在近十年内取得飞速的发展，已经引起了产业界和学术界的广泛关注。因其低成本、高比功率、优异的机械柔性以及远远高于传统无机太阳能电池的高能粒子辐射硬度等特点，钙钛矿太阳能电池在近太空、极地等极端环境中展现了其独特的应用优势。然而，有限的研究仅仅达到了低温运行16~18%的光电转化效率，还远远未达到目前的先进水平。此外，低温钙钛矿太阳能电池运行机理尚未完全明确。基于此，北京大学周欢萍研究员团队及其合作者系统地研究了n-i-p结构的(FA,MA,Cs)Pb(I,Br)3基钙钛矿太阳能电池在300-130 K不同温度下的运行状态和器件性能，实现了钙钛矿太阳能电池在220 K的运行温度下25.2%的光电转化效率（稳态效率24.2%）；结合多种变温测试手段和第一性原理模拟计算，提出了钙钛矿独特的相变促进的低温缺陷自消除机理；并在近太空模拟仓中测试和验证了无封装钙钛矿器件的运行可行性和稳定性，为进一步发展钙钛矿太阳能电池的低温应用奠定了坚实基础。
太阳能技术正在改变全球的能源结构。钙钛矿太阳能电池由于其优异的能量转换效率和低廉的成本而展现出巨大的潜力。然而，在其进入市场之前，仍需探索出工业化生产稳定高效的大面积太阳能电池的技术路线。北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松教授团队开发出了大面积制备高效率钙钛矿太阳能电池的新工艺。他们发现，通过缩短刮涂制备的钙钛矿薄膜在空气中的退火时间可以有效提高钙钛矿组件效率。该发现可进一步推动低成本，高通量，高效率钙钛矿组件的工业化生产。
尽管热伏（TPV）转换与许多新兴能源技术相关，但由于热伏器件文献中的实验变化率（包括发射极和电池温度、空腔几何形状和系统规模），识别当前热伏器件设计中哪些方面是有利的、哪些地方仍有改进的机会，仍然是一个挑战。密西根大学Andrej Lenert等人回顾了几十年的热伏器件实验文献，并通过比较每个能量转换步骤与其各自的实验特定热力学极限，对热伏器件的文献进行了有意义的比较。作者发现报道的峰值效率接近其热力学极限的50%。具有最广热辐射光谱的发射极-电池对表现出了最佳的热伏效率。通过进一步抑制子带隙辐射传输，以及改进处理包括带隙未充分利用和欧姆损耗的载流子管理，有望大幅提高峰值效率。此外，在主要配对材料和集成器件之间仍存在明显的实际差距，主要是由于缺乏可规模制备的高性能材料，使表面暴露于寄生热损失。如果这些挑战都被克服了，热伏器件最终可能会提供随需应变和接近使用点的电力，从而实现对间歇性可再生能源的更大力度的整合。
包含两种以上供体和受体材料的多组分有机太阳能电池（OSC）引起了广泛的研究关注，因为它们可以提供更好更广泛的吸收，从而提高太阳能电池的性能。但是，多组分OSC的形态异常复杂且难以控制，而四元OSC甚至在实践中都不可行。香港科技大学He Yan，Philip C.Y. Chow，北卡罗莱纳州立大学Harald Ade和深圳易柔光伏科技有限公司Guangye Zhang等人使用两个聚合物供体（即PM6和PTQ10）以及富勒烯（PC71BM）和非富勒烯受体（N3）开发了一种高效四元q-OSC。
基于溶液的光伏材料加工具有重要优势，包括更低的总体成本和更容易的制造规模化，其中溶剂起着至关重要的作用。通常使用反溶剂结晶技术来获得高质量的钙钛矿材料。但是，对溶剂-反溶剂结晶的基本化学方法仍知之甚少。此外，普通的反溶剂是有毒的，并且其数量是有限的。埃尔朗根-纽伦堡大学Ening Gu, Andres Osvet和Christoph J.Brabec等人开发了一种新颖的基于机器人的方法被用于筛选适用于不同溶剂钙钛矿体系的高效抗溶剂。
钙钛矿太阳能电池广泛使用的最主要障碍是其在工作压力下的稳定性差。北京大学的周欢萍、埃因霍芬理工大学Shuxia Tao及加利福尼亚大学圣地亚哥分校学校David P. Fenning等人在一系列可控的工作压力下持续了600 h，系统监测了基于FA0.9Cs0.1PbI3的钙钛矿太阳能电池光伏性能的演变。理论计算表明，光生载流子为该相分离提供了热力学驱动力。他们的发现将设备性能与微观行为和原子机理相关联，揭示了在设备运行过程中抑制依赖于阳离子的相分离。
镍氧化物(NiOx)空穴传输层(HTLs)是钙钛矿光伏器件的理想接触物，因为它们成本低、稳定、易于扩展。然而，与有机空穴传输层相比，它们可提供的开路电压（VOCs）较低。文中，美国科罗拉多大学的Michael D. McGehee联合亚利桑那大学Neal R. Armstrong等人描述和减轻了NiOx 空穴传输层和钙钛矿前驱体之间的电子转移与质子转移反应。通过XPS和UPS的表征，作者发现NiOx薄膜中的Ni≥3+金属阳离子位点可同时作为Brønsted质子受体和Lewis电子受体，使阳离子胺脱质子和氧化碘离子，在钙钛矿-NiOx界面形成富PbI2 - xBrx-的空穴提取屏障。在钙钛矿活性层沉积过程中，用过量的A位阳离子盐滴定活性Ni≥3+表面态，可使开路电压值增加到1.15 V，功率转换效率增加到约20%。这可能是在钙钛矿前驱体中，作为Brønsted和Lewis酸反应物的金属氧化物接触物的普遍发现，最近在TiO2和SnO2接触物的观察中也发现了类似现象。
钙钛矿太阳能电池（PSCs）和有机光伏电池（OPVs）近年来发展迅速。钙钛矿和有机半导体的组成和分子可调性使具有不同带隙和不同物理特性的大量材料可供选择，为构建钙钛矿/有机串联太阳能电池（TSCs）提供了可行性。在此，浙江大学的杨阳研究团队建立了半经验模型，选择了最佳的可用材料组合，并成功展示了利用带隙互补和正交溶剂处理可获得高效可重复的钙钛矿/有机串联太阳能电池。以全热蒸发低损耗互联层（ICLs）为特点，文中的2端(2T)单一钙钛矿/有机串联太阳能电池具有高可重复性，且功率转换效率（PCE）狭窄的分布在20%至20.6%之间（认证为19.54%）。除了有前景的效率，串联结构中并没有OPVs的紫外灵敏性，显示了优秀的器件稳定性。这些结果揭示了钙钛矿/有机串联器件作为可重复和低成本结构，实现高性能钙钛矿/有机串联太阳能电池的巨大潜力。
为减少COVID-19传播而实施的限制措施使世界各地的天空明显更加晴朗。在这项研究中，麻省理工学院Ian Marius Peters团队证实，空气污染水平的降低与印度德里异常高的晴空日晒水平有关。印度于3月19日宣布了限制措施，3月24日全国进入封锁状态。比较采取限制措施之前和之后的日晒数据与前一年（2017年至2019年）的日晒数据后，研究人员发现到，今年的辐照度比平时在3月底高8.3%±1.7%，比4月份高5.9%±1.6%，而在2月或3月初与前几年无显著差异。利用先前研究的结果，作者根据测量的PM2.5浓度水平计算出日照预期增长。测量和计算在置信区间内一致，表明污染水平的降低是观测到的日晒增加的主要原因。
用于物联网（IoT）的室内电子设备的出现激励了科学界开发能够有效地将室内光转化为电能的光伏设备。香港科技大学的颜河等人报道了在室内条件下具有超过30％的功率转换效率（PCE）的高效非富勒烯有机光伏（OPV）电池。结果表明，选择电子传输层（ETL）对于实现这种性能至关重要。使用具有最高的最高占据分子轨道（HOMO）水平的ETL（命名为PDI-NO）可以有效地抑制泄漏电流并减少器件的陷阱辅助复合。因此，使用该ETL，通过在体-异质结（BHJ）共混物中使用低带隙受体实现了31％的记录PCE。
溶液处理的胶体量子点（CQDs）是一种很有前途的光电材料。然而，迄今为止，胶体量子点固体要么表现出优异的输运特性，但在胶体量子点之间没有融合，要么表现出强钝化时有限的输运特性。文中，加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队报道了量子点之间单层钙钛矿桥的生长，并表明这可以同时实现表面钝化与改善的电荷输运。作者在形成胶体量子点固体后生长钙钛矿层，而不是在量子点溶液中引入钙钛矿前驱体：钙钛矿单层增加了点间耦合，并减少了载流子必须穿越的距离。因此，文中将相对于参考胶体量子点固体的扩散长度增加了一倍，报道的太阳能电池实现了13.8%的稳定功率转换效率（PCE），这是铅硫系胶体量子点太阳能电池的记录。
新加坡国立大学Carlos D. Rodríguez-Gallegos等人对由单面固定式倾斜和单/双（1T/2T）装置以及双面装置组成的光伏电站的产量潜力和成本效益进行了全球分析。结果表明，双面1T装置可将能源产量提高35％，并达到世界上大多数国家（占土地面积的93.1％）的最低LCOE。尽管双轴产生的能量最多，但其成本仍然很高，因此成本效益不高。还提供了敏感性分析，以显示该研究的总体稳固性。
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