用于自主水下能量系统的宽禁带钙钛矿水下太阳能采集

《Joule》：Submerged solar harvesting with wide-band-gap perovskites for autonomous underwater energy systems

　　

背景与规模

由于阳光在水中存在强烈的光谱衰减，水下太阳能采集仍然是一项未解决的挑战。为此，采用宽带隙（约1.96 eV）卤化物铅钙钛矿太阳能电池（PSCs），其吸收光谱与水下10米深度处的太阳光谱相匹配。为实现高效且耐久的水下钙钛矿太阳能电池（S-PSCs），引入聚六亚甲基胍盐酸盐（PHMG）进行能级调控，使钙钛矿从p型转变为n型，从而促进电子提取、抑制卤素离子迁移、降低缺陷密度并提高晶格稳定性。同时，为合理评估器件在水下光谱条件下的性能，设计了一种带有定制光学滤光片的水下太阳模拟器。因此，S-PSC器件在模拟10米水深处光谱下的功率转换效率达到34.71%，并具有良好的长期稳定性。此外，制备了大面积钙钛矿太阳能电池组件，其在实际户外运行中表现出卓越性能，成功展示了通过为锂离子电池（LIBs）充电和点亮LED来实现发电。本研究为钙钛矿光伏技术在水下环境中的实际应用奠定了基础，为自维持海洋能源系统和自主水下设备提供了一条有前景的途径。

亮点

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约1.96 eV的PSCs在真实水下条件下运行

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实现了最高PCE：17.08%（AM 1.5G）和34.71%（模拟10米深水光）

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老化测试预测在模拟10米水下光照条件下T₈₀约为5.49年

摘要

由于阳光在水中存在强烈的光谱衰减，水下太阳能采集仍然具有挑战性。在此，我们展示了利用宽带隙（约1.96 eV）钙钛矿并采用聚六亚甲基胍盐酸盐（PHMG）作为结晶添加剂制备的高效、耐久的水下钙钛矿太阳能电池（S-PSCs）。PHMG修饰的S-PSCs在AM 1.5G下实现16.79%（认证）的功率转换效率（PCE），在模拟10米深水光照下实现34.71%，与该深度处的最佳光谱相匹配。该添加剂提高了结晶度，优化了能级匹配，并抑制了界面非辐射复合。加速测试预测在25°C、模拟水下10米深度条件下，T₈₀寿命为48,094小时（约5.49年）。大面积组件在实际应用中展现出功能，在10米水深处水下光照2小时后产生324毫瓦时（mWh）的电能，足以给锂离子电池充电并驱动LED。本研究提出了一种用于水下太阳能采集的稳健材料和器件策略，实现了自主海洋能源系统和水下物联网基础设施。

图形摘要