eia月度能源展望報告（能源周報Nat.Energy）

2023-05-18 20:27:51 1

溫馨提示：本推文包含21篇文獻，預計閱讀時間約21min，大家挑感興趣的關注。p.s.文末會附有過去三周周報連結。

1．Nat. Energy：Zn:CuInSe2量子點敏化太陽電池高缺陷耐受性的光譜研究

膠體半導體量子點（QD）是用於實現高性能液接光伏電池的有前途的材料。儘管存在大量典型的I-III-VI2三元半導體天然缺陷，但基於Zn：CuInSe2 QD的太陽能電池仍顯示出高效率。為了闡明這些設備顯著的缺陷耐受性的原因，研究者對製備的和表面改性的Zn:CuInSe2 QD進行了並行光伏和光譜研究。使用具有不同長度和與TiO2表面的結合的表面配體，可以調節缺陷相關弛豫和QD到TiO2電極電子轉移的速率。儘管表面修飾對光致發光動力學有深遠影響，但其對光伏性能的影響卻幾乎沒有，這表明間隙內缺陷不僅不會阻礙而且實際上有助於Zn:CuInSe2 QDs的光轉換過程。這些能隙狀態被識別為淺層表面電子陷阱和天然Cu1 空穴陷阱缺陷，分別介導了與TiO2電極和電解質的QD相互作用，並以約85％的光電子轉換效率幫助實現了穩定的光伏性能。功率轉換效率高達9-10％。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41560-020-0617-6

2. Angew. Chem. Int. Ed.：用隨機三元共聚合策略合成聚合物受體的高性能全聚合物太陽電池

在這項工作中，研究者展示了一種簡單的無規則三元共聚策略，該方法通過將由Y6修飾的小分子受體單元與噻吩連接單元和定量的3-乙基酯噻吩（ET）單元聚合來合成一系列聚合物受體PTPBT-ET x。與僅Y6類單元和噻吩單元的PTPBT相比，在三元共聚物中結合了ET單元的PTPBT-ET x（其中x表示ET單元的摩爾比）與聚合物供體PBDB-T的共混膜中使用顯示出上移的LUMO能級，增加的電子遷移率和改善的共混物形態。基於PBDB-T：PTPBT-ET 0.3的全PSC實現了超過12.5％的高功率轉換效率（PCE）。此外，基於PTPBT-ET 0.3的全PSC器件在300個小時內也表現出長期的光穩定性。這些結果表明，小分子受體單元與第三類功能單元的無規則三元共聚是開發所有PSC的高效聚合物受體簡單但有效的策略。

原文連結：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202005357

3．Adv. Mater.: 關於硫鐵氧體太陽能電池中光電壓損失的機理理解

考慮到自然豐度，光電性能和電力生產成本，黃鐵礦（FeS2）作為太陽能電池材料具有很強的吸引力。然而，迄今為止證明的FeS 2太陽能電池的最大轉換效率低於3％，這大大低於25％的理論效率極限。這種較差的轉換效率主要是由於較差的光電壓所致，對於具有明顯光電流的器件，其從未超過0.2V。幾項研究探索了FeS2太陽能電池中低光電壓的起源，並加深了對光電壓損耗機理的理解。費米能級釘扎，表面反轉，本體供體態的電離和光載流子損耗已被認為是FeS2中光電壓損耗的根本原因。鑑於過去和最近的科學數據，以及在一定程度上相互矛盾的結果，現在應該討論這些機制，以提供有關當前狀況和接下來挑戰的最新觀點。在此，對FeS2太陽能電池中低光電壓的起源的當前理解進行了細緻回顧，隨後對電子結構和光電特性進行了簡要討論。最後，提出了一些研究方向的建議。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905653

4. Joule：具有最小非輻射複合和局部載流子輸運損耗的有效鈣鈦礦太陽能模塊

鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的功率轉換效率（PCE）迅速增長。但是，最新的PSC仍然遭受非均勻分布的非輻射重組和載流子傳輸損失的困擾。在這裡，研究者報告了一個有前途的評估策略，將廣義光電互易定理和基於相機的PSCs發光成像技術相結合。過量的氯化鉛成分工程提高了均質性並抑制了非輻射重組，從而導致器件的外部發光效率達到1.14％（相當於0.116 V的非輻射電壓損失）。在中等照明水平下，還可以觀察到最大功率點時有利的局部和全局載流子提取特性。結果獲得了25.49 cm2大小的鈣鈦礦太陽能電池組件，其認證的效率為17.88％，填充係數達到了創紀錄的78％以上。這種定量和空間分辨的表徵適用於特定的工作點，為將來對實驗室規模的設備進行實時跟蹤以及快速評估大面積模塊提供了巨大的潛力。

原文連結：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435120301823

5．ACS Energy Lett.：低成本鉀離子電池高性能K0.5MnO 2正極的非易燃電解質

層狀K0.5MnO2正極在鉀離子電池中的應用受到其在4.0 V（vs. K /K）以上充電時較差的循環性能的限制，而這種電化學不穩定性的潛在機制仍不清楚。在這裡，發現碳酸亞乙酯（EC）將插入到去鉀化的K0.5MnO2中，引起層狀化合物的剝落並導致在高電荷截止電壓下的容量衰減。通過用不易燃的磷酸鹽替代碳酸鹽，K0.5MnO2高於4.0 V（vs. K /K）的電化學性能得到顯著增強，可逆容量為120 mAh g-1，400個循環後容量保留率達到84％。該磷酸鹽類電解質還顯示出與市售石墨負極的優異相容性，從而使K0.5MnO2石墨全電池具有令人鼓舞的電化學性能。本研究為新型電解質的進一步探索提供了新的見識，以推動新興的低成本和高性能鉀離子電池的發展。

原文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00912

6．ACS Energy Lett.：鈉離子電池負極複合材料開發的最新進展

鈉離子電池（SIB）在從可攜式設備到大型能量存儲電網的應用中，對於能量存儲而言是一個誘人的前景。然而，SIB的實際應用因其大尺寸和隨之而來的緩慢動力學而受到阻礙。複合策略已被廣泛用作促進提高SIB電極電池性能的有效方法之一。過渡金屬化合物（TMC）和含碳物質的組合是一種流行的複合體，可以提供廣泛的可能性來製造高性能且持久的SIB負極。這篇評論特別強調了TMC的複合策略，包括具有不同碳物質的金屬氧化物，金屬硫化物，金屬磷化物和金屬碳化物。對這些複合物中Na離子存儲機理的系統討論已變得特別重要。這篇綜述全面涵蓋了複合對SIB性能的影響，以評估這些材料作為未來有希望的SIB負極材料的全部影響。

原文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00973

7. Angew. Chem. Int. Ed. 通過分層多孔In2S3 @ CNT / SS陰極製備具有光/電能量轉換和存儲的柔性Li-CO2電池

由於CO2還原反應（CDRR）和演化反應（CDER）動力學緩慢，實際比容量低，過電位高，倍率能力差，阻礙了Li-CO2電池的實際應用。本文首次報導了一種光誘導柔性Li-CO2電池，其良好、分層多孔、獨立的In2S3@CNT/SS（ICS）電極可同時加速CDRR和CDER。光誘導Li-CO2電池的放電電壓達到了創紀錄的3.14V，超過了2.80V的熱力學極限；超低充電電壓達到了3.20V，往返效率達到了98.1%，這是迄今為止報導的最高值（4.5v）下LiCoO2的循環穩定性受到陰陽離子混合氧化還原（HACR）誘導的氧逸出和不受控制的相崩塌的影響。通過在NSLS-II上的DEMS和原位XANES作圖，本文證明了氧逸出引發了不可逆的轉變，轉變成「壞」的表面相，並迅速向內傳播。增強HACR但阻止整體的氧遷移是穩定高能陰極的關鍵。因此，本文成功地製備出了∼10μm的LiCoO2單晶，在其表面平滑地轉變為無鈷LiN0.75Ni0.25O2。通過初始電化學反應，在操作體中形成了一個氧損失很小的半相干LiMn1.5Ni0.5O4尖晶石殼層，完整地包裹了LiCoO2。在此基礎上，本文進一步製備了梯度晶型的LiCoO2單晶，防止了氧在顆粒中的滲透遷移，提高了高壓下HACR的可逆性。梯度HACR陰極在充電至4.6v以上時經歷基本穩定的循環，因此在與商用石墨陽極和貧電解質（2g A h-1）耦合的袋式全電池中實現了大於3400 W h L-1的穩定循環體積能量密度，即使在300個循環後也可高達2906 W h L-1。

原文連結：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee00231c#!divAbstract

10. ACS Energy Lett. 快速充電石墨電極上非活性鋰和固體電解質界面（SEI）物種的定量研究

鋰離子電池的快速充電受到石墨陽極上鍍鋰的限制，即鋰離子在石墨顆粒表面還原為鋰金屬，而不是插入石墨層之間，這直接導致了由於鍍鋰/剝離過程的低可逆性而造成的容量損失。因此，準確確定鍍鋰的起始時間和量對於解決這些問題至關重要。本文證明了一種最小檢測限為20 nmol（5×10-4mAh）Li的滴定技術，用於定量快速充電後留在石墨電極上的非活性Li。滴定法推廣到測定固體電解質界面（SEI）中固體碳酸鹽和乙醯化鋰（Li2C2）的總量，並用電化學模型測定了石墨表面鍍Li金屬的交換電流密度（10A/m2）和剝離效率（65%）。這些技術提供了一個高度精確的測量開始和快速充電期間石墨SEI演變的定量見解。

原文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00859

11. ACS Energy Lett. 採用緊湊機械穩定的陽極設計實現高容量鋰存儲

隨著對電化學儲能裝置最小化的不斷需求，在有限空間內體積性能與重量測量對於可充電電池同等重要。大容量負極材料有望顯著改善鋰離子電池的容量性能，但由於其在循環過程中體積變化大而引起的納米化和機械不穩定性等問題，一般阻礙了其實際應用。從這一角度出發，著重強調機械穩定性設計的重要性，並強調內部緻密化是大體積變化陽極納米材料實現良好重量和體積性能的理想解決方案。本文討論的策略基於碳在高密度材料結構中的應用、精確的孔洞保護和應力管理，以解決材料、電極和設備方面的機械不穩定性問題。最後，提出了用緊湊型鋰電池解決這些問題的有效途徑。

原文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00851

12. Angew. Chem. Int. Ed.: 鋰金屬陽極能否在90°C的液體電解質中循環？

鋰（Li）金屬陽極作為多樣化場景中下一代電池的有希望的陽極，必須在高溫下穩定運行。然而，由於在常規液體電解質中電解質和固體電解質中間相的熱不穩定性，鋰金屬陽極通常在高溫（＞ 55℃）下經受不良的性能甚至安全問題。該文證明了在熱穩定電解質中可在90°C高溫下工作的鋰金屬陽極。在90°C下工作的鋰| LiFePO4電池，鋰金屬陽極經歷100次循環，而在實際的碳酸鹽電解質中則經歷10次循環。在固體電解質界面形成期間，鋰鹽和溶劑的獨立和不完全分解加劇。在90°C時會出現一些不穩定的中間分解產物，從而降低了Li沉積的均勻性。該項工作不僅證明了在90°C下可以正常工作的鋰金屬陽極，而且還為可充電電池在高溫下固體電解質間相和鋰沉積提供了基本的了解。

原文連結：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202002711

13. Angew. Chem. Int. Ed.: 用於高性能鋰金屬電池的氟化芳香族稀釋劑

在鋰金屬電池中，含有高濃度鹽的電解質具有良好的循環性能，但其在材料成本方面的實用性尚待保證。在這裡，研究者們報告了一種氟化芳族化合物，即1,2-二氟苯，用作電解質中的稀釋溶劑，以實現「高濃度效應」。最低的最低未佔據分子軌道（LUMO）水平，對鋰離子的弱結合親和力以及1,2-二氟苯的高氟供體能力共同導致了在2 M附近的大鹽濃度下高濃度效應，同時將固體電解質相間（SEI）層的成分改性為富含氟化鋰（LiF）。使用三鹽來防止鋁集電器的腐蝕進一步改善了循環性能。該項研究提供了一種設計原理，說明如何在相當低的鹽體積濃度下實現局部高濃度效果。

原文連結：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202003663

14. Angew. Chem. Int. Ed.: 通過原位TEM揭示合金型鉀離子電池陽極納米結構設計的進展

納米結構工程被公認為是提高材料電化學性能的有效方法，藉助原位表徵技術可以確定更合理的納米結構材料設計。在這裡，研究者們結合了新穎的納米結構設計和原位透射電子顯微鏡（TEM）觀察，證明了由卵黃殼結構單元聚束而成的Sb基納米纖維，是鉀離子電池（PIB）的顯著改進的陽極。特別是，提出了一種金屬有機框架（MOF）結合靜電紡絲策略，再耦合到受限的離子交換，隨後進行熱還原，以製備嵌入碳納米纖維（Sb @ CNF）的卵黃殼Sb @ C納米盒。值得注意的是，原位TEM分析顯示內部Sb納米粒子在合金化/脫合金過程中經歷了顯著的體積膨脹/收縮，而空隙空間可以有效緩解總體體積變化，並且塑料碳殼保持了電極材料的結構完整性。這項工作為高級表徵技術的應用提供指導，以指導電極材料設計的優化。

原文連結：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202004193

15. Adv. Mater. : 通過原位聚苯胺插層來調節V2O5中鋅離子插入/萃取的動力學，可改善水溶液中鋅離子存儲性能

可充電鋅離子電池（ZIBs）逐漸成為鋰離子電池的有前途的替代品。然而，發展的陰極受Zn2 擴散動力學的影響，導致速率能力差和循環壽命不足。在該文中，開發了一種原位聚苯胺（PANI）嵌入策略，以促進V2O5中Zn2 （de）嵌入動力學。這樣，可以交替在V-O層之間構造一個顯著增大的層間距離（13.90Å），從而為方便的Zn2 擴散提供了加速通道。重要的是，Zn2 與主體O2-之間的靜電相互作用是阻礙Zn2 擴散動力學的另一個關鍵因素，可以通過PANI的獨特π共軛結構有效地阻止它。原位同步加速器X射線衍射和拉曼研究證明，PANI插層的V2O5在Zn2 重複插入和萃取過程中表現出穩定且高度可逆的電化學反應。進一步的第一性原理計算清楚地表明，Zn2 與主體O2-之間的結合能顯著降低，這解釋了PANI嵌入V2O5中的有利動力學。得益於此，PANI插層式V2O5電極的整體電化學性能得到了顯著改善，在20 A g-1的電流密度下表現出出色的高倍率容量197.1 mAh g-1，在2000次循環中的容量保持率為97.6％。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001113

16. Nat. Commun.: 鈉離子電池用紅磷浸漬碳納米纖維和液化紅磷

紅磷具有很高的理論鈉容量，已被認為是鈉離子電池的候選陽極。與鋰離子電池的矽陽極相似，紅磷的電化學性能也受到了鹼化後的大體積變化。在這裡，研究者們對合成的紅磷浸漬的碳納米纖維進行了原位透射電子顯微鏡分析，並進行了相應的化學機械模擬，結果表明，經過鹼化處理的紅磷具有「類液體」的機械行為，並具有良好的延展性和抗粉碎變形能力。已證明，合成的浸漬了紅磷的碳納米纖維的包封策略是使鈉離子電池中的紅磷副反應最小化的有效方法，顯示出穩定的電化學循環。該項研究為鈉離子電池高性能紅磷陽極提供了有效的指導。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16077-z

17. Adv. Mater.: 結構化的鈣鈦礦吸光劑實現高效穩定的光伏應用

由於其令人印象深刻的光學和電學特性，有機-無機雜化滷化鈣鈦礦鉛材料（ABX3）在光伏領域引起了廣泛的關注。但是，鈣鈦礦型光伏產品的商業化仍存在障礙，例如穩定性差，滯後性和毒性。現場陽離子工程技術被認為是調整鈣鈦礦結構及其光電性能的強大工具。根據A位陽離子的選擇和組合，可以形成三種鈣鈦礦結構，即3D鈣鈦礦，降維（2D/準2D）鈣鈦礦和2D/3D雜化鈣鈦礦。本文總結了這三種鈣鈦礦結構所帶來的顯著突破，並突出了它們相應的特性和特徵以及它們的固有缺點。通過總結最近的研究進展，提供了改善鈣鈦礦型光伏電池性能和穩定性的新觀點。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903937

18. Adv. Mater.：有機-無機雜化鈣鈦礦通過中間上層結構的一般分解途徑及其抑制機理

有機-無機雜化鈣鈦礦（OIHP）由於其有前途的光伏性能而引起了極大的興趣。然而，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的商業化仍然受到OIHPs結構降解的困擾。在此，通過透射電子顯微鏡研究了OIHPs在電子束輻照下的分解機理，並通過CH3NH3PbX2.5的中間超結構狀態（X=I，Br，有序）揭示了四方CH3NH3PbI3和立方CH3NH3PbBr3的一般分解途徑。空缺成最終滷化鉛。通過鈣鈦礦結構框架的穩定化可以通過碳塗層抑制這種分解。這些發現揭示了OIHPs的一般降解途徑，並提出了抑制它的有效策略，並且所學到的原子學見解對於改善PSC的穩定性可能是有用的。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001107

19. Joule：表徵鈣鈦礦太陽能電池和發光二極體的效率

金屬滷化物鈣鈦礦（MHP）作為高效太陽能電池的光吸收劑已得到廣泛研究。通過在全球範圍內的努力，MHP太陽能電池的功率轉換效率最近已飆升至25.2％。MHP現在也被視為下一代發光器。它們的高色純度和溶液可加工性特別適合顯示應用，這些應用通常受益於寬色域和低成本高解析度子像素圖案。因此，鈣鈦礦發光二極體（LED）的研究活動迅速增長，其外部量子效率已大大提高到20％以上。隨著越來越多具有不同背景的研究小組致力於這些鈣鈦礦光電器件的研究，對精確效率測量的標準方法的需求正在增長，這些方法可以在各個學科之間達成共識，並且可以在實驗室中輕鬆實現。在此，從MHP太陽能電池和LED的觀點出發，重新討論了光電錶徵方法。首先回顧一下通用效率測量實踐，介紹常見的誤差源，然後提出避免或減少這些誤差的指南，以幫助現場研究人員制定最佳的測量實踐。

原文連結：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120301768

20. Chem：一種實現30％高效鈣鈦礦太陽能電池的現實方法

儘管鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的開發超過了眾所周知的薄膜太陽能電池技術的功率轉換效率（PCE），但將其理論PCE超過30％仍然是有吸引力的，儘管具有挑戰性。在此觀點中，我們研究了實現25.2％的創紀錄PCE的當前挑戰，並概述了理論PCE的發展方向。對當前認證的PCE增量的一項調查可以比較光伏參數，並建議提高填充因子（FF）值是達到25.2％的決定性因素。然後根據PSC與其他光伏技術之間的性能比較，闡明了達到30％的參數限制。最後，結合了Si和GaAs太陽能電池的經驗教訓，以提供提高PSC的PCE的策略。

原文連結：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2451929420301819

21. ACS Energy Lett.：揭示離子富勒烯鈍化的高效穩定的無甲銨鈣鈦礦太陽能電池的機理

儘管揮發性甲基銨（MA）陽離子具有吸引人的穩定性，但與基於MA的設備相比，由於性能較差，雙陽離子（Cs，FA）鈣鈦礦型太陽能電池在很大程度上被忽略了。在所有器件工程策略中，表面鈍化是獲得改善性能的有前途的方法。但是，尚未開發出有效的鈍化策略來實現無MA細胞的效率接近其理論極限。在本文中，研究具有不同結合基團的富勒烯鈍化劑以建立分子結構與鈣鈦礦表面性質之間的關係。發現使用雙全氟吡咯烷碘化物（bFPI）進行的表面處理可以與帶電缺陷產生強相互作用，從而導致有效的缺陷鈍化和界面處的良好帶彎曲。所得的經bFPI處理的器件顯示出明顯降低的缺陷密度，並加速了從鈣鈦礦到陰極的電子提取。因此，不含MA的設備具有21.1％的效率，並具有長期的環境穩定性。