鄒德春教授研究團(tuán)隊在新形態(tài)太陽能電池研究領(lǐng)域取得系列突破性進(jìn)展
時間：2021-04-06 17:05:03學(xué)院：化學(xué)與分子工程學(xué)院學(xué)校：北京大學(xué)
光伏技術(shù)是發(fā)展高效清潔能源的重要途徑，也是目前將太陽能轉(zhuǎn)換為電能最有效的方法。為了克服傳統(tǒng)平板太陽能電池在應(yīng)用形態(tài)，電極成本等方面的諸多難題，鄒德春教授研究團(tuán)隊于2008年在國際上率先提出并實現(xiàn)了無需透明電極的柔性可編織纖維太陽能電池（Adv. Mater. 2008, 20, 592.; Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 113510.），引起了廣泛的研究興趣。近幾年來，研究團(tuán)隊在提高纖維電池的光電轉(zhuǎn)換效率、大尺寸化與模塊化、纖維電極材料的開發(fā)、低成本的纖維電池以及其它類型纖維電子器件等方面開展了系統(tǒng)深入的研究工作，取得了系列突破性研究進(jìn)展，保持了團(tuán)隊在該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
經(jīng)過在器件設(shè)計與制備方面的不斷探索，研究團(tuán)隊成功制備出了長度高達(dá)9.5cm、效率（5.41%）最高的纖維太陽能電池（Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 10076.），相關(guān)成果被該雜志以“Solar power textiles”進(jìn)行了highlight，同時被能源與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的頂級學(xué)術(shù)期刊Energy & Environmental Science 進(jìn)行了轉(zhuǎn)載報道。隨后不到半年的時間內(nèi)，該研究團(tuán)隊又將纖維太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率提高至7%。
圖1. 纖維太陽能電池模塊
纖維太陽能電池的一維線狀結(jié)構(gòu)賦予了其優(yōu)于傳統(tǒng)平板電池高效、全方位的光子采集能力。研究團(tuán)隊通過實驗和理論研究，展示了纖維電池獨特的三維采光特性。例如，采用曲面反射聚光模式，在通常的光照條件下纖維電池的輸出功率可提高2-6倍。纖維太陽能電池易于集成實現(xiàn)聚光電池模塊（Energy. Environ. Sci. 2011, 4, 3379.）或柔性雙面太陽能電池模塊（Adv. Energy Mater. 2012, 2, 37.），充分顯示了該技術(shù)在低成本、高效率的光伏技術(shù)領(lǐng)域潛在的應(yīng)用價值。
同時，針對纖維太陽能電池的工作機(jī)理，該研究團(tuán)隊還設(shè)計開發(fā)了一系列高性能材料，包括低揮發(fā)性透明電解質(zhì)（J. Mater. Chem. 2011, 21, 14815.），碳纖維（J. Mater. Chem. 2011, 21, 13776.）、聚合物纖維（J. Power. Sources. 2012, 215,164.）、碳素墨水（ J. Mater. Chem. 2012, 22, 9639.）等電極材料；基于一維有序納米結(jié)構(gòu)的光陽極材料（與化學(xué)院吳凱教授合作Nanoscale. Res. Lett. 2011, 6, 94.; Nanoscale 2012, 4, 1248.）以及基于全碳電極的纖維太陽能電池（Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 125.）等重要研究成果。
圖2.柔性纖維超級電容器模型圖
研究團(tuán)隊進(jìn)一步將纖維光伏技術(shù)向纖維儲能器件拓展，設(shè)計出了一種由三根纖維構(gòu)成的新型柔性纖維超級電容器。采用普通鋼筆墨水作為活性材料，獲得了非?？捎^的儲能效果。這種獨特的一維超級電容器有望應(yīng)用到智能織物中，為柔性傳感器、便攜電子設(shè)備等供能，對進(jìn)一步發(fā)展自驅(qū)動纖維/可編織能源系統(tǒng)具有重要意義。相關(guān)成果在《先進(jìn)材料》（Adv. Mater. doi:10.1002/adma.201202930）在線發(fā)表后，迅速受到了廣泛的國際關(guān)注。著名科技網(wǎng)站New Scientists 以“Pen ink proves surprise key to powerful supercapacitor”為題撰文進(jìn)行報道，美國物理學(xué)家組織網(wǎng)站Phys.Org也撰文“Researchers find ordinary pen ink useful for building a supercapacitor”進(jìn)行了專門報道。此外，Gizmodo、Physics Today等眾多知名網(wǎng)站也對相關(guān)成果進(jìn)行了轉(zhuǎn)載報道。
以上研究工作得到國家自然科學(xué)基金、973項目、教育部以及北京大學(xué)的長期支持。
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