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新材料 >> 产业化项目
新材料
李倩 |
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新一代钙钛矿光伏和锂离子电池的发展与应用
项目负责人简介
      项目负责人:王湘麟,讲座教授,国土国防与安全信息分析中心主题专家、八次洛斯阿拉莫斯国家实验室优秀创新奖项,美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室计划主持人、“导电聚合物应用与研发”团队负责人
      研究领域:有机功能材料、有机/无机复合材料(太阳能电池、能虽存储与转换)、有机生物材料(生物相容性、传感器)以及纳米复合材料(催化、传感)的制备与研发。
      所属领域:节能材料与能源材料、节能与环境
      项目简介
      ►原理及先进性
      大晶粒高效钙钛矿
      首次合成大晶粒(1-2毫米)的有机金属钙钛矿薄膜,并发现晶粒尺寸的增加和光伏效率密切相关,由此发明了光伏效率达到18%钙钛矿电池,是近年来非常高效的钙钛矿光伏之一。通过对钙钛矿的能带间隙和光学/电子性质的检测,特别选取3到5种被看好的材料进行合成,利用第I、IV族元素代替钙钛矿中的有机分子,制得能够捕获更长波长的太阳光子的窄带隙钙钛矿,进一步发展成环境友好的无铅钙钛矿光伏太阳能电池。基于建立新一代钙钛矿平面光伏的设计原则,实践实现具有高纯度、理想结晶度和光电性质的钙钛矿及界面材料,有效的传导电荷,进一步提高效率和稳定性。
      锂离子电池
      通过一种新颖的自下而上,多步有机合成的方法制备一系列的二维(2D )、三维(3D)纳米石墨烯及拥有各种官能团连接的纳米石墨烯薄片。将共价键合到中心氮原子上,使之自组装成高度有序的层次结构。该侧挂官能团在纳米石墨烯的周围可有效调控纳米石墨烯的电子密度以及薄片和薄片的间距。而且锂离子电池纳米石墨烯阳极表现出显着的周期稳定性和更增强的容量(高达1050mAh/g )。此外,将致力于合理的设计金属纳米粒子和杂化纳米材料以解决阻碍商业化发展能量转换和储存器件的因素。
Figure 1 .SEM images of the perovskite film prepared by the solution made from (a) single-crystal MAPbI3 powders and (b)MAI+Pbl2
 
      ►应用市场
      当今世界的最先进的太阳能光伏材料是利用由精密的高温晶体生长过程中产生的高纯度单晶半导体。近年来以溶液加工材料来替代传统太阳能电池的技术可以保证以更低的成本来提供电力,但是一直到目前为止,这一研究方向仅仅取得了有限的成功。这是由于不同程度的缺陷存在于晶体和晶粒的界面。所以提高晶体尺寸和溶液生成薄膜的质量可以大幅度的改进光伏的效率和稳定性。
      本团队合成的大晶粒(1-2毫米)的有机金属钙钛矿簿膜是发展在低温下生成高质量、低缺陷浓度的大颗粒的结晶薄膜。这个技术将克服长期以来晶体薄膜的缺陷和异质性的问题,并普遍适用于各种各样的光电和能源装置。本团队合成一系列的二维(2D)和三维(3D)纳米石墨烯,并用以制备锂离子电池。新一代的锂离子电池具有高容量(大于1000mAh/g)与高能量密度,同时具有优良的稳定性(大于1000个循环)。该项目克服了传统石墨负极在锂离子电池、锂空气电池的显著性能损失以及结构的不稳定性。以及利用新合成的纳米材料来进一步的增强锂离子电池的性能与优化纳米石墨烯阳极的结构。科研团队将致力于合理的设计金属纳米粒子和杂化纳米材料以解决阻碍商业化发展能量转换和储存器件的因素。
      结合前两部分工作,将太阳能电池与可循环蓄电的锂电池结合使用,通过将光能转换成电能并储藏在内置的锂电池里,太阳能移动电源可以给手机、数码相机、平板电脑等产品充电,既节能又环保。现在很多研发者认为石墨烯材质的锂电池是解决移动电子设备电池续航能力的重要突破,如果能够有效提升太阳能电池单位面积的转化率,那么随时随地移动充电的酷炫形式,将会成为未来能源应用问题的完美方式。
Figure 2. a) Chemical structures of triarylamine-based NG anodes, and the schematic view of LIBs.  b) Chemical structures and appearance of triarylamine-based NG powders with various functional groups.