濟南大學張玉海教授、劉宏教授課題組Nano Energy：應用于實際器件驅動的零維鈣鈦礦基太陽能聚光器

引言：

發光太陽能聚光器(LSC)能夠通過家庭窗戶或玻璃屋頂收集大面積的太陽光，并通過光導富集到標準太陽能電池板上將其轉化為電能。近年來，通過利用摻雜量子點或者多量子阱鈣鈦礦薄膜，LSC的光電轉化效率已經達到了6.4 %。盡管如此，基于LSC供能的器件驅動尚未實現，主要有兩個原因：首先，大面積LSC存在嚴重的重吸收問題，導致大的光損耗和低的功率轉換效率；其次，由于LSC與標準太陽能電池的耦合效率較低，提取輸出電量的方法仍然存在較大困難。

成果簡介：?

有鑒于此，濟南大學劉宏教授，張玉海教授課題組，與青島大學趙海光教授合作，在前期工作（Adv. Funct. Mater. 2019, 29,1902262）的基礎上，報道了具有1.28 eV斯托克斯位移的零維鈣鈦礦納米晶基LSC，有效地解決了重吸收問題，量子產率高達79 %。通過對4片LSC的疊層串聯，組裝了結構緊致的小型電池，在氙燈驅動下可以提供30?mW的穩定輸出功率，并成功驅動了馬達風扇。這項工作證明了對LSC的實際器件集成的可行性，是實現LSC能夠應用于實際的重要一步，為從LSC中提取電力提供了多種可能性。該成果以題為“Stable metal-halide perovskites for luminescent solar concentrators of real-device integration”發表在了Nano Energy（Nano Energy, 2021, 85,105960）上。

圖文導讀：

圖1 零維鈣鈦礦納米晶的表征及存儲穩定性

a)TEM圖像顯示納米晶的尺寸分布。插圖是單個納米晶的HRTEM圖像。

b)納米晶的尺寸分布直方圖。

c)XRD圖譜顯示納米晶是純相。

d)不同PbBr₂添加量的納米晶的新鮮樣品和存儲17天之后樣品的PL QY。

e)穩態光致發光激發和發射光譜，顯示出較大的斯托克斯位移，達到1.28 eV。

f)二維圖像顯示在285 nm和337 nm處有兩種激發態。

圖2 零維鈣鈦礦納米晶和聚苯乙烯組成的LSC的表征

a)無支撐薄膜的SEM圖像，薄膜厚度大約是10 μm。

b)共聚焦顯微鏡圖像顯示LSC薄膜表面和橫斷面的綠色發射。

c)AFM圖像表明薄膜表面具有約40 nm的粗糙度。

d)TGA測試表明，PS基體中納米晶含量在24 %左右。

e)不同納米晶含量的LSC的透過率曲線。插圖是LSC在環境條件下的照片。

f) PL強度隨光的傳輸距離的變化，峰位置沒有發生明顯變化，證明了極小的自吸收現象。

圖3 單個LSC的性能表征

a)單個LSC性能測試示意圖。

b)標準太陽能電池耦合(紅色)和未耦合(黑色)LSC的J-V曲線。

c)單個LSC的四條邊的輸出功率測試。插圖是LSC在方形太陽光模擬器輻照下的照片。

d)單個LSC的輸出功率與光傳輸距離的關系。

e)單個LSC的輸出功率與光照面積的關系。

f)單個LSC在405 nm的激光下連續輻照一小時輸出功率的變化。

圖4 LSC原型器件的性能表征

a)4片LSC和2片標準太陽能電池板組成的原型器件原理圖。

b)不同LSC數量的I-V曲線和P-V曲線。

c)輸出功率與LSC數量的關系。

d)開路電壓和短路電流與吸收功率的關系。

e)輸出功率和功率轉換效率與輸入功率的關系。

f)LSC驅動馬達風扇的實物圖。

小結:

綜上所述，一種基于具有1.28 eV斯托克斯位移的鈣鈦礦納米晶的LSC被報道。通過化學計量學工程制備的納米晶穩定性好而且PL QY高達79 %。單個LSC的尺寸為?5×5×0.4 cm³時，光電轉換效率為1.1 %。在一個由串聯LSC和太陽能電池板組成的集成器件中，演示了LSC與實際器件的集成能力。盡管光電轉換效率相對較低(0.2 %)，這樣一個簡單的小型電池仍然能夠驅動馬達風扇。這是實現LSC與實際設備耦合的重要一步，為從LSC中提取電力提供了多種可能性。

文獻鏈接：Stable metal-halide perovskites for luminescent solar concentrators of real-device integration (Nano Energy, 2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.105960)

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105960

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