济南大学张玉海教授、刘宏教授课题组Nano Energy：应用于实际器件驱动的零维钙钛矿基太阳能聚光器

引言：

发光太阳能聚光器(LSC)能够通过家庭窗户或玻璃屋顶收集大面积的太阳光，并通过光导富集到标准太阳能电池板上将其转化为电能。近年来，通过利用掺杂量子点或者多量子阱钙钛矿薄膜，LSC的光电转化效率已经达到了6.4 %。尽管如此，基于LSC供能的器件驱动尚未实现，主要有两个原因：首先，大面积LSC存在严重的重吸收问题，导致大的光损耗和低的功率转换效率；其次，由于LSC与标准太阳能电池的耦合效率较低，提取输出电量的方法仍然存在较大困难。

成果简介：

有鉴于此，济南大学刘宏教授，张玉海教授课题组，与青岛大学赵海光教授合作，在前期工作（Adv. Funct. Mater. 2019, 29,1902262）的基础上，报道了具有1.28 eV斯托克斯位移的零维钙钛矿纳米晶基LSC，有效地解决了重吸收问题，量子产率高达79 %。通过对4片LSC的叠层串联，组装了结构紧致的小型电池，在氙灯驱动下可以提供30 mW的稳定输出功率，并成功驱动了马达风扇。这项工作证明了对LSC的实际器件集成的可行性，是实现LSC能够应用于实际的重要一步，为从LSC中提取电力提供了多种可能性。该成果以题为“Stablemetal-halideperovskites forluminescentsolarconcentrators ofreal-deviceintegration”发表在了Nano Energy（Nano Energy, 2021, 85,105960）上。

图文导读：

图1 零维钙钛矿纳米晶的表征及存储稳定性

a)TEM图像显示纳米晶的尺寸分布。插图是单个纳米晶的HRTEM图像。

b)纳米晶的尺寸分布直方图。

c)XRD图谱显示纳米晶是纯相。

d)不同PbBr₂添加量的纳米晶的新鲜样品和存储17天之后样品的PL QY。

e)稳态光致发光激发和发射光谱，显示出较大的斯托克斯位移，达到1.28 eV。

f)二维图像显示在285 nm和337 nm处有两种激发态。

图2零维钙钛矿纳米晶和聚苯乙烯组成的LSC的表征

a)无支撑薄膜的SEM图像，薄膜厚度大约是10 μm。

b)共聚焦显微镜图像显示LSC薄膜表面和横断面的绿色发射。

c)AFM图像表明薄膜表面具有约40 nm的粗糙度。

d)TGA测试表明，PS基体中纳米晶含量在24 %左右。

e)不同纳米晶含量的LSC的透过率曲线。插图是LSC在环境条件下的照片。

f) PL强度随光的传输距离的变化，峰位置没有发生明显变化，证明了极小的自吸收现象。

图3 单个LSC的性能表征

a)单个LSC性能测试示意图。

b)标准太阳能电池耦合(红色)和未耦合(黑色)LSC的J-V曲线。

c)单个LSC的四条边的输出功率测试。插图是LSC在方形太阳光模拟器辐照下的照片。

d)单个LSC的输出功率与光传输距离的关系。

e)单个LSC的输出功率与光照面积的关系。

f)单个LSC在405 nm的激光下连续辐照一小时输出功率的变化。

图4 LSC原型器件的性能表征

a)4片LSC和2片标准太阳能电池板组成的原型器件原理图。

b)不同LSC数量的I-V曲线和P-V曲线。

c)输出功率与LSC数量的关系。

d)开路电压和短路电流与吸收功率的关系。

e)输出功率和功率转换效率与输入功率的关系。

f)LSC驱动马达风扇的实物图。

小结:

综上所述，一种基于具有1.28 eV斯托克斯位移的钙钛矿纳米晶的LSC被报道。通过化学计量学工程制备的纳米晶稳定性好而且PL QY高达79 %。单个LSC的尺寸为 5×5×0.4 cm³时，光电转换效率为1.1 %。在一个由串联LSC和太阳能电池板组成的集成器件中，演示了LSC与实际器件的集成能力。尽管光电转换效率相对较低(0.2 %)，这样一个简单的小型电池仍然能够驱动马达风扇。这是实现LSC与实际设备耦合的重要一步，为从LSC中提取电力提供了多种可能性。

文献链接：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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