《Joule》：Submerged solar harvesting with wide-band-gap perovskites for autonomous underwater energy systems
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摘要由于水中阳光的强烈光谱衰减，水下太阳能收集仍然具有挑战性。在这里，我们展示了使用宽带隙（约1.96 eV）钙钛矿，并通过添加聚己胺盐酸盐（PHMG）作为结晶添加剂来制备高效、耐用的水下钙钛矿太阳能电池（S-PSCs）。经过PHMG改性的S-PSCs在AM 1.5G光照下的功率
摘要
由于水中阳光的强烈光谱衰减，水下太阳能收集仍然具有挑战性。在这里，我们展示了使用宽带隙（约1.96 eV）钙钛矿，并通过添加聚己胺盐酸盐（PHMG）作为结晶添加剂来制备高效、耐用的水下钙钛矿太阳能电池（S-PSCs）。经过PHMG改性的S-PSCs在AM 1.5G光照下的功率转换效率（PCE）达到16.79%（经认证），在模拟的10米深度光照下达到34.71%，这与该深度的最佳光谱相匹配。该添加剂增强了晶体结构，优化了能级对齐，并抑制了界面非辐射复合。加速测试预测，在25°C和10米深度的模拟水下条件下，其T80寿命为48,094小时（约5.49年）。大面积模块在水下光照下产生了324毫瓦时的电能，足以给锂离子电池充电并驱动LED灯，证明了其实际应用能力。这项工作为水下太阳能收集引入了一种稳健的材料和器件策略，为实现自主海洋能源系统和水下物联网基础设施提供了可能。
引言
水覆盖了地球表面的70%以上，使其成为发展水下经济的重要且可靠的能源来源。然而，缺乏高效且持久的能源来源严重阻碍了海洋经济的增长。1,2,3,4< />5 传统上，高效太阳能电池已广泛用于陆地能源供应；这些电池能够吸收800–1,150纳米波长的阳光，从而有效利用太阳能。6,7,8 然而，由于水会强烈吸收长波长（≥630纳米）的阳光，因此需要优化用于水下太阳能电池的材料的特性（例如，高消光系数和可调带隙），以实现弱短波长阳光的有效转换。铅卤化物钙钛矿具有高消光系数9,10 和可调带隙，能够覆盖整个水下太阳光谱11,12,13,14,15，是解决水下持久能源供应问题的有希望的候选材料。此外，钙钛矿太阳能电池（PSCs）以其高电池效率而著称，是最高效的光伏（PV）技术之一。16,17,18,19 这些优势使宽带隙钙钛矿成为水下光伏技术的有前景的选择。值得注意的是，虽然PSCs在强光照射和高温（≥65°C）下性能迅速下降20,21< />22，但在较低温度（≤25°C）和水下较弱的光照强度下，它们的耐用性得到了提升。因此，有必要探索PSCs的潜力，并评估其在水下条件下的实用性，从而确定其作为水下能源的适用性。
在这里，我们设计了一种光学带隙约为1.96 eV的钙钛矿，以匹配水下（5–10米）的太阳光谱，该光谱主要为蓝绿色（400–600纳米）。为了制造具有倒p-i-n结构的水下PSCs（S-PSCs），使用了一种离子导电聚合物——聚己胺盐酸盐（PHMG）来调控钙钛矿的结晶过程。PHMG的设计原理是将化学活性较高的胍（GA+）基团与疏水聚合物骨架结合，以同时调控钙钛矿薄膜的电子、结构和环境稳定性。GA+基团可以与未配位的Pb2+位点強烈结合，并与卤素离子形成氢键相互作用，有效钝化深层缺陷并增加离子迁移的活化能垒，这对于抑制宽带隙组分的相 instability 特别关键。结果表明，这种S-PSCs在AM 1.5G模拟光照下的效率达到了17.08%（经认证为16.79%），使其成为具有此类宽带隙的最高效PSCs之一。在N2填充的手套箱中室温储存300天后，这些设备的效率仍保持了约96%。值得注意的是，在10米深度的模拟水下条件下连续跟踪最大功率点（MPP）1,160小时后，该电池的效率仍然保持在34.71%，显示出出色的耐用性。在户外水下实验中，使用面积为115平方厘米的钙钛矿太阳能模块（PSMs）在2米、6米和10米的深度下进行了2小时的太阳能照射，成功为锂离子电池（LIBs）充电324毫瓦时（2米深度）、752毫瓦时（6米深度）和324毫瓦时（10米深度）。这证明了S-PSCs在实际应用中的可行性，例如为水下LED灯、传感器、摄像机和通信系统供电。此外，在10米深度的模拟水下阳光下进行的加速老化测试显示，其T80寿命为48,094小时，相当于在25°C（我们在南海涠洲岛附近测得的年平均水温）下连续运行约5.49年。23 这项工作为S-PSCs作为长期水下能源供应者铺平了道路，将光伏应用从陆地扩展到水下环境，并为海底设施提供了持续供电的机会。
章节摘录
水深对太阳光谱的影响
离网设备被部署在不同的水深处，以支持各种水下操作和科学研究。水下光伏与其他发电方式结合，可以为诸如固定式水下传感器和检测器等设备供电（图1A）。此外，水在红光和红外区域强烈吸收阳光，导致较长波长的光传输较差。波长超过730纳米的光线会被完全吸收
材料
从Naranjo Substrates购买的图案化玻璃基板（2.0×1.6厘米2）上涂有氧化铟锡（ITO）。铯碘化物（CsI，99%）、氯化铅（PbCl2，99%）、1,3-丙二胺二碘化物（PDADI，98%）、苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM，99%）和浴铜花（BCP）从西安Yuri Solar购买。有机卤化物，包括甲酰胺碘化物（FAI），从Greatcell Solar Materials购买。PHMG从Macklin购买。氯化铅（PbI2）、溴化铅（PbBr
数据和代码的可用性
所有数据可根据合理请求向相应作者获取。
致谢
作者衷心感谢以下机构的资助：云南省云岭学者项目、 西南联合研究生学院的云南省科技项目（项目编号：202302AO370013）、云南省重点研发计划科技项目（项目编号：202403AC100030）、云南大学双一流计划项目（项目编号：CZ22621801、云南省教育部门的科学研究基金
作者贡献
概念设计由W.-H.Z.、S.M.和B.C.完成；方法论研究由S.M.、J.C.、R.L.、R.W.和L.X.负责；资金获取由W.-H.Z.和S.M.完成；监督工作由W.-H.Z.和X.R.负责；可视化处理由S.M.和B.C.完成；审阅与编辑由W.-H.Z.、P.G.和M.G.完成；数据分析的优化由P.G.和M.G.完成。
马思敏|蔡冰|王若浩|陈佳月|刘仁政|徐朗|任晓东|高鹏|Michael Gr?tzel|张文华
中国云南大学材料与能源学院，国家光电能源材料与应用国际研究中心，微纳材料与技术重点实验室，昆明650500
