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2016年 第22卷 第4期    刊出日期：2016-08-29

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光电化学及新型太阳能电池近期研究专辑（厦门大学林昌健教授&中国科学院化学研究所李永舫院士主编）

《光电化学及新型太阳能电池》专辑序言

林昌健，李永舫

2016, 22(4):  313-314.  doi:10.13208/j.electrochem.160140

摘要 ( 779 )   PDF (279KB) ( 737 )  

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众所周知，能源与环境是当今人类面临的最大难题和挑战，随着世界能源需求的急剧攀升，传统化石资源的不断耗竭，全球温室效应和环境污染的压力日趋严重，发展各种可再生绿色能源成为当今世界最主要的共性问题和研究热点. 太阳能光电转化技术被认为是一种最有希望真正解决未来社会可再生能源和洁净环境问题的先进技术. 太阳可为人类提供取之不尽、用之不竭的巨大能源宝库，每年照射到地球的太阳能量高达174000TW，换言之，只要能以10%效率转化0.1%到达地球表面的太阳能，即可满足全球的能源需求. 当前国际上最热点研究的新型太阳能电池包括染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池及钙钛矿太阳能电池等，这些新型太阳能电池的研究近年来取得了长足的进步，世界上每年发表相关论文超过10000篇，其中中国学者在太阳能光电化学理论、光电转化器件设计、电极材料、有机半导体光伏材料、电解质系统、有机及钙钛矿太阳能电池电极界面修饰层材料等方面开展了大量卓有特色的工作，为推进各种新型太阳能电池的进步和应用做出不菲的贡献. 光电化学是一门研究光与电化学相互作用的交叉学科，是太阳能高效利用中光-电转化和光能-化学能转化的核心理论基础. 自上世纪70年代以来，光电化学理论得到不断发展和完善，为当今蓬勃发展的各种新型太阳能电池和光催化制氢等提供了强有力的理论指导. 然而，随着纳米科技、材料科学及半导体物理等现代科技的飞速发展和多学科深入研究，诸多新型太阳能体系研究的新现象和复杂性仍未能得到圆满解析. 仍亟需进一步从微观水平认识太阳能电化学电池及光电催化的反应本质，发展原位表征和超快时间分辨技术研究光生电子的传输、复合及界面反应等规律及定量关系，为人们设计高光电转化效率的电化学太阳能电池、推进商品化应用提供理论指导. 本专辑围绕光电化学及新型太阳能电池专题，收录了在相关研究领域具有丰富积累和影响的团队所撰写的9篇相关研究进展的综述文章和研究论文，部分反映了我国在新型太阳能电池结构设计、合成方法和性能研究方面的研究进展.希望借助该专刊的出版，能使广大读者更深入地了解我国在新型太阳能电池领域的研究现状、研究趋势和存在的问题及挑战，推动我国光电化学及新型太阳能电池研究的进一步发展. 在此，对本专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的卓有成效的工作和付出表示衷心的感谢！



阴极界面修饰层改善平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池的光伏性能

刘晓东，李永舫

2016, 22(4):  315-331.  doi:10.13208/j.electrochem.160148

摘要 ( 919 )   PDF (2223KB) ( 778 )  

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有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿半导体材料结合了有机材料良好的溶液可加工性以及无机材料优越的光电特性，近几年受到了热捧，成为太阳能电池领域一颗耀眼的明星. 伴随着钙钛矿薄膜结晶过程和形貌的优化、器件结构的改进以及电极界面材料的开发，这类有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%迅速提高到目前最高的22.1%. 其中界面工程在提升器件性能上发挥着极其重要的作用. 本文总结了平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池中阴极界面修饰层（CBL）的研究进展. CBL从材料上讲可分为无机金属氧化物、金属或金属盐以及有机材料，从构成上讲可分为单层CBL、双层CBLs以及共混型CBL. 本文对这些类型的CBL分别给予详细的介绍. 最后，我们归纳出CBL在改善器件效率和稳定性上所起的作用以及理想CBL所应满足的要求，希望能为以后阴极界面修饰材料的设计提供一定的借鉴.



金属有机框架在染料敏化太阳能电池中的应用

李亚峰，孙晴晴，魏明灯

2016, 22(4):  332-339.  doi:10.13208/j.electrochem.160142

摘要 ( 750 )   PDF (10875KB) ( 945 )  

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为了获得高效率的染料敏化太阳能电池，其光阳极应该具有大的比表面积，以吸附足量的染料，获得很强的光捕获能力.从这个角度而言，将具有很大比表面积的金属有机框架材料引入到染料敏化太阳能电池的体系中，无疑是一种有益的探索.本文简介了金属有机框架材料在光伏领域的应用，并重点介绍了我们课题组在利用金属有机框架材料方面进行的一些探索，包括光阳极薄膜的处理、利用金属有机框架材料作为前驱体制备光阳极材料和光散射层.最后，本文对金属有机框架材料应用于染料敏化太阳能电池中的局限性及前景做了简要的展望.



卟啉及其光电化学研究进展

刘双双,鲁建峰,王鸣魁

2016, 22(4):  340-355.  doi:10.13208/j.electrochem.160143

摘要 ( 841 )   PDF (2110KB) ( 829 )  

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卟啉及金属卟啉在自然界中广泛存在，其光学、电化学等特性可通过分子结构中多个反应位点进行调控. 随着全球能源环境问题日益凸显，卟啉在太阳能电池、光催化制氢领域的研究成为热点. 本文简介了作者课题组近年来通过国内外合作开展的D-π-A结构卟啉分子结构改性及其对光电化学性质和器件光伏特性影响的进展，并对未来卟啉光电化学研究的发展进行了简要的探讨.



SPR银金电极上光电化学反应和EC-SERS理论研究

吴元菲，庞 然，张 檬，周剑章，任 斌，田中群，吴德印

2016, 22(4):  356-367.  doi:10.13208/j.electrochem.160149

摘要 ( 886 )   PDF (1042KB) ( 664 )  

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随着纳米科学的发展，人们再次关注到金属电极上的光电化学研究. 这主要得益于币族金属纳米结构具有强的表面等离激元共振（SPR）效应，它能有效地将光从远场光转化为近场光，汇聚光能到金属表面区域，可以在表面产生强的光电场效应，或产生较长寿命的热电子-空穴载流子效应，或是更长时间尺度的热效应. 因此，SPR效应不仅产生了表面增强拉曼散射(SERS)效应，用于表征吸附分子，而且可能诱发表面化学反应，为在电化学界面实现光与电协同调控化学反应提供新思路. 本文首先回顾了金属电极上光电流理论的发展，然后总结了本研究组近年来将量子化学计算用于光电化学反应和SERS光谱研究的工作，并以在银金纳米结构电极上水合质子还原和芳香胺氧化为例，比较了热电子和热空穴参与光电化学反应的特点，揭示了SPR参与光电化学反应的本质.



光电化学分解水电池的电极性能提高方法及光阴极研究进展

朱凯健，罗文俊，关中杰，温鑫，邹志刚，黄维

2016, 22(4):  368-381.  doi:10.13208/j.electrochem.160147

摘要 ( 1261 )   PDF (1818KB) ( 1244 )  

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光电化学水分解电池能够将太阳能直接转化为氢能，是一种理想的太阳能利用方式. p-n叠层电池具有理论转换效率高、成本低廉、材料选择灵活等优势，被认为是最有潜力的一类光电化学水分解电池. 然而，目前这类叠层电池的太阳能转化效率还不高，主要原因是单个电极的效率太低. 本文介绍了几种提高光电极分解水性能的方法——减小光生载流子的体相复合、表面复合以及抑制背反应等，同时综述了国内外关于几种p型半导体光阴极的研究进展，如Si、InP、CuIn_1-x GaxS(Se)₂、Cu₂ZnSnS₄等. 通过总结，作者提出一种p-Cu₂ZnSnS₄(CuIn_1-xGaxS(Se)₂)/n-Ta₃N₅(Fe₂O₃) 组装方式，有望获得高效低成本叠层光电化学水分解电池.



基于WO_x/PEDOT:PSS复合空穴传输层的高效稳定平面异质结钙钛矿太阳电池

乔文远，郭强，李聪，马爽，王福芝，戴松元，谭占鳌

2016, 22(4):  382-389.  doi:10.13208/j.electrochem.160141

摘要 ( 1156 )   PDF (1962KB) ( 1041 )  

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在基于钙钛矿/富勒烯平面异质结的钙钛矿太阳电池中，PEDOT:PSS是最常使用的空穴传输材料. 但PEDOT:PSS呈酸性，会腐蚀金属氧化物透明电极，使器件的电极界面稳定性欠佳. 本文将高功函的氧化钨（WO_x）插入到PEDOT:PSS和FTO之间，形成WO_x/PEDOT:PSS复合空穴传输层，这样既可以避免PEDOT:PSS与FTO直接接触，提高器件的稳定性，又可以进一步降低电极界面的接触势垒，从而提升器件的性能. 作者研究了复合传输层对透光率、钙钛矿形貌、钙钛矿结晶、光伏性能及器件稳定性的影响. 基于 WO_x/PEDOT:PSS复合空穴传输层的电池效率可以达到12.96%，比单纯的PEDOT:PSS的电池效率(10.56%)提升了22.7%，同时器件的稳定性也得到大幅改善.



磷酸修饰的RGO-BiOBr纳米复合体的制备及其光电化学性质研究

陈双影，李志君，张旭良，胡康，闫蕊，井立强

2016, 22(4):  390-396.  doi:10.13208/j.electrochem.160144

摘要 ( 875 )   PDF (1176KB) ( 777 )  

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本文通过水热法一步合成了还原氧化石墨烯(RGO)-BiOBr纳米复合体，并进一步对其进行磷酸修饰. 主要研究了所获得的纳米复合体的光电化学性质. 结果表明，与纯BiOBr相比，RGO-BiOBr复合体的光电流密度明显提高. 适量磷酸修饰后，其光电流密度进一步得到提高. 基于羟基自由基等测试结果，分析认为磷酸修饰的RGO-BiOBr纳米复合体光电流密度的提高主要归因于两方面：一是复合的还原氧化石墨烯能够接受光生电子，加快电子的转移，进而促进光生电荷的有效分离；二是复合体表面修饰的磷酸在溶液中电离形成负场，能够起到诱导光生空穴的作用，进一步促进了光生电荷的分离.



基于网状铂电极的新型柔性染料敏化太阳能电池

许子颉，张发荫，洪晓丹，郭文熹，刘向阳，林昌健

2016, 22(4):  397-403.  doi:10.13208/j.electrochem.160145

摘要 ( 938 )   PDF (1163KB) ( 683 )  

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柔性染料敏化太阳能电池（DSSCs）作为一种新型的化学太阳能电池，因其精简的封装工艺、较低廉的价格、高的化学稳定性以及可弯折等优点而备受关注. 本文介绍了一种新型的柔性DSSC的制备，其光阳极为高度有序的氧化锌（ZnO）纳米线阵列，对电极为柔性、导电、透明的网状铂(Pt networks)电极. 相对于传统的铂对电极而言，这种Pt networks对电极不仅具有优异的导电能力，还展现了极好的透光性（方阻~ 100 Ω•sq^-1，~80%透光率）和催化性能，此外，Pt networks电极可构筑于任意弯曲的衬底，具有优异的机械耐弯折性能. 在ZnO纳米线阵列的DSSCs的应用中，基于Pt networks膜的柔性DSSC的转化效率比铂纳米丝阵列 (Pt nanofiber arrays, Pt NFs）膜高出了32%.



三种CuS对电极的制备及其对量子点敏化太阳能电池光电性能的影响

洪晓丹，许子颉，张发荫，李宇鹏，叶美丹，林昌健，郭文熹

2016, 22(4):  404-411.  doi:10.13208/j.electrochem.160146

摘要 ( 823 )   PDF (1314KB) ( 768 )  

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近几年，量子点敏化太阳能电池因其具有低成本、易合成、高的光电转换效率等优点而广受关注. 半导体金属硫化物具有良好的物理和化学性质，被广泛应用于各个领域，其中，铜硫化物凭借其优异的电化学催化活性，而成为量子点敏化太阳能电池良好的对电极材料. 本文通过3种不同的方法在FTO表面生长CuS纳米阵列（依次记为CuS-1、CuS-2、CuS-3），并对样品进行晶相表征、表面形貌分析、电化学性能测试以及相应量子点敏化太阳能电池器件组装，最终发现CuS-3样品具有最优的光电性能.

研究论文



利用均相沉淀剂和形貌导向剂水热一步合成层状镍钴氢氧化物

朱立伟*, 阎云海, 贾慧, 梁润芬

2016, 22(4):  412-416.  doi:10.13208/j.electrochem.151119

摘要 ( 975 )   PDF (766KB) ( 661 )  

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本文利用在反应过程中同时添加均相沉淀剂六次甲基四胺和形貌导向剂十六烷基三甲基溴化铵，结合水热反应的方法一步合成了镍钴氢氧化物. 随着六次甲基四胺的水解，层状镍钴氢氧化物可以被合成而且避免了额外碱源的使用；同时，由于反应过程中十六烷基三甲基溴化铵参与的孔径调节，合成出来的镍钴氢氧化物具有可控的介孔尺寸13.4 nm以及较大的比表面积93.6 m² •g^-1. X射线衍射图谱表明合成出来的镍钴氢氧化物构型是α-Ni(OH)₂-β-Co(OH)₂. 扫描电镜表明合成出来的镍钴氢氧化物具有层状的结构. 正是因为层状介孔结构的存在，合成出来的镍钴氢氧化物在1 A•g^-1电流密度下，比电容可以高达1902 F•g^-1；即使电流密度提高到8 A•g^-1，镍钴氢氧化物的比电容仍然可以保持在1250 F•g^-1.



溶剂对长醇酸清漆涂层活性面积及耐腐蚀性能的影响

M. Saadawy, B.A. Abd-El-Nabey, A.Z. Gomaa, M. Ashour

2016, 22(4):  417-424.  doi:10.13208/j.electrochem.150922

摘要 ( 677 )   PDF (2093KB) ( 620 )  

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本文采用电化学交流阻抗技术，研究了溶剂类型和组成对长醇酸清漆涂层在0.5 mol•L^-1氯化钠中浸泡不同时间后耐腐蚀性能的影响. 结果表明，含有不同溶剂的长醇酸清漆的保护效率随着溶剂的挥发性增加或给定挥发溶剂的组成增多而提高，这也从扫描电子显微镜和X-射线能量散射谱分析结果得到证实. 此外，剥离面积，即金属表面由于有机涂层的剥落而导致腐蚀的面积，随溶剂挥发性的增强而减小.



CO₂资源化转化纳米碳材料对硫酸盐化铅盘电极的活化性能研究

宋宇桥，朱华，赵光金，吴文龙，周寿斌，汪的华

2016, 22(4):  425-432.  doi:10.13208/j.electrochem.151123

摘要 ( 883 )   PDF (7011KB) ( 639 )  

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负极板硫酸盐化是铅酸蓄电池早期容量下降、提前失效的主要原因之一. 利用碳材料制备活化剂加入电池电解液中，可以有效减少或修复不可逆硫酸盐化现象. 本文研究了一种新型高导电纳米碳材料—CO2高温熔盐电化学转化制备碳粉，对硫酸盐化铅盘电极的活化效果，结果表明，新型碳粉对于铅盘电极电量和电流效率的提升效果比乙炔黑和碳纳米管更显著，在一定浓度范围内对析氢无影响，碳粉的存在提高了电极活性物质间的导电性，并可在其表面吸附富集铅离子和提供还原位点，从而促进硫酸铅的溶解、抑制大颗粒硫酸盐晶体的产生，表明CO2高温熔盐资源化转化制备的碳粉作为一种新的铅蓄电池碳材料活化剂具有较好的发展潜力.

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庄 林

2016, 22(4):  433-434.  doi:10.13208/j.electrochem.160150

摘要 ( 435 )   PDF (252KB) ( 436 )  

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Origin and Hysteresis of Lithium Compositional Spatiodynamics within Battery Primary Particles J. Lim, Y. Li, D. H. Alsem, H. So, S. C. Lee, P. Bai, D. A. Cogswell, X. Liu, N. Jin, Y.-s. Yu, N. J. Salmon, D. A. Shapiro, M. Z. Bazant, T. Tyliszczak, W. C. Chueh Science 2016, 353, 566. 采用原位X射线成像技术研究锂嵌入／脱出LixFePO4过程，发现提高锂嵌入速度可抑制颗粒内部相分离和降低机械张力，有利于提高材料的循环性能，但锂脱出过程则情况相反.