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邹德春研究团队在新形态太阳能电池研究领域取得系列突破性进展

来源:北大新闻网 发布时间:2012年09月27日

       光伏技术是发展高效清洁能源的重要途径,也是目前将太阳能转换为电能最有效的方法。为了克服传统平板太阳能电池在应用形态,电极成本等方面的诸多难题,邹德春教授研究团队于2008年在国际上率先提出并实现了无需透明电极的柔性可编织纤维太阳能电池(Adv. Mater. 2008, 20, 592.; Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 113510.),引起了广泛的研究兴趣。近几年来,研究团队在提高纤维电池的光电转换效率、大尺寸化与模块化、纤维电极材料的开发、低成本的纤维电池以及其它类型纤维电子器件等方面开展了系统深入的研究工作,取得了系列突破性研究进展,保持了团队在该领域的国际领先地位。

        经过在器件设计与制备方面的不断探索,研究团队成功制备出了长度高达9.5cm、效率(5.41%)最高的纤维太阳能电池(Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 10076.),相关成果被该杂志以“Solar power textiles”进行了highlight,同时被能源与环境科学领域的顶级学术期刊Energy & Environmental Science 进行了转载报道。随后不到半年的时间内,该研究团队又将纤维太阳能电池的最高光电转换效率提高至7%。

 

图1. 纤维太阳能电池模块

        纤维太阳能电池的一维线状结构赋予了其优于传统平板电池高效、全方位的光子采集能力。研究团队通过实验和理论研究,展示了纤维电池独特的三维采光特性。例如,采用曲面反射聚光模式,在通常的光照条件下纤维电池的输出功率可提高2-6倍。纤维太阳能电池易于集成实现聚光电池模块(Energy. Environ. Sci. 2011, 4, 3379.)或柔性双面太阳能电池模块(Adv. Energy Mater. 2012, 2, 37.),充分显示了该技术在低成本、高效率的光伏技术领域潜在的应用价值。

        同时,针对纤维太阳能电池的工作机理,该研究团队还设计开发了一系列高性能材料,包括低挥发性透明电解质(J. Mater. Chem. 2011, 21, 14815.),碳纤维(J. Mater. Chem. 2011, 21, 13776.)、聚合物纤维(J. Power. Sources. 2012, 215,164.)、碳素墨水( J. Mater. Chem. 2012, 22, 9639.)等电极材料;基于一维有序纳米结构的光阳极材料(与化学院吴凯教授合作Nanoscale. Res. Lett. 2011, 6, 94.; Nanoscale 2012, 4, 1248.)以及基于全碳电极的纤维太阳能电池(Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 125.)等重要研究成果。

 

图2.柔性纤维超级电容器模型图

        研究团队进一步将纤维光伏技术向纤维储能器件拓展,设计出了一种由三根纤维构成的新型柔性纤维超级电容器。采用普通钢笔墨水作为活性材料,获得了非常可观的储能效果。这种独特的一维超级电容器有望应用到智能织物中,为柔性传感器、便携电子设备等供能,对进一步发展自驱动纤维/可编织能源系统具有重要意义。相关成果在《先进材料》(Adv. Mater. doi:10.1002/adma.201202930)在线发表后,迅速受到了广泛的国际关注。著名科技网站New Scientists 以“Pen ink proves surprise key to powerful supercapacitor”为题撰文进行报道,美国物理学家组织网站Phys.Org也撰文“Researchers find ordinary pen ink useful for building a supercapacitor”进行了专门报道。此外,Gizmodo、Physics Today等众多知名网站也对相关成果进行了转载报道。

        以上研究工作得到国家自然科学基金、973项目、教育部以及北京大学的长期支持。

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