《化合物纳米晶杂化本体异质结薄膜太阳能电池界面与性能》

该项目来源于国家自然科学基金项目河南省教育厅重点科研项目,研究内容属于材料科学和化学领域。清洁能源的应用是人们关注的热点,低成本、高效率地将太阳能转化为电能是其中的重要研究方向。太阳能电池在制造过程中存在着能耗高、成本高、环境污染等问题,因此,研究新材料、新工艺制造下一代新型太阳能电池具有重要的意义和价值。

该项目围绕化合物光电半导体薄膜材料的低温原位生长及其在太阳能电池中的应用开展了系列研究工作。发展了以金属单质为前驱体在室温或者常温条件下生长化合物半导体薄膜材料的方法,并将制备的薄膜材料应用到有机无机杂化薄膜太阳能电池中,实现了低温下非真空薄膜太阳能电池器件的制备。在研究过程中,课题组还创建了光生载流子动力学过程的薄膜材料、异质结材料光电性能评价方法,在此基础上提出了光生载流子动力学过程评价综合指标,为器件前期性能评估和新型光电薄膜材料研究提供了有效手段。

主要科学发现包括以下三个点:(1).实现了室温或者常温条件下化合物薄膜材料的原位制备。一般地,金属单质可以在较高的温度条件下与氧气或者硫蒸汽反应生成相应的化合物,常温条件下该过程难以进行。课题组发现利用铜、银或者其合金可以在饱和的硫粉\乙醇溶液中直接反应,室温或者常温条件下短时间内就可以形成硫化物半导体薄膜材料。研究表明在薄膜生长过程中金属元素从底部向表面运输,从而不断与硫化合形成硫化物半导体材料。在此基础上,课题组对该类反应过程进行了深入地研究,并成功实现了在室温或者常温条件下多种化合物半导体薄膜材料Ag2S,Ag3CuS2,CuS,CH3HN3PbI3,AgO等的制备,为半导体薄膜材料的制备研究提供了新方法。(2).首次提出了光电半导体薄膜材料光生载流子动力学过程综合评价指标和载流子复合模型。光生载流子动力学过程对光电器件的性能影响非常大,课题组利用瞬态表面光电压技术对制备的半导体薄膜材料进行了深入的研究,在此基础上提出了用于评价材料光电性质的综合指标(L=Tt\Tr),即光生载流子浓度达到最大值的时间与复合时间之比。依据此参数可以分析材料中光生载流子传输过程的可能限制因素和界面处载流子复合情况。另外,根据瞬态表面光电压信号的方向性建立了载流子复合过程的模型,用于评价异质结界面处光生载流子的复合情况。(3).室温下构建了具有连续电荷传输通道的有机无机杂化薄膜太阳能电池器件。课题组利用在室温或者常温条件下制备的无机半导体薄膜材料与有机半导体材料复合,形成具有连续电荷传输通道的有机无机杂化结构并组装成太阳能电池器件。该种太阳能电池器件兼具了无机半导体材料优异的光电性质和有机半导体材料良好的加工性质,在叠层太阳能电池器件的设计和制备方面具有较好的优势。

该项目发展了室温或常温下半导体薄膜材料的制备技术和有机无机杂化体系中光生载流子动力学过程的研究,这些成果在太阳能电池、光电探测器等领域具有重要的应用价值。项目主要完成人在J. Power Sources,ACS Appl. Mater. Inter.,J. Mater. Chem. A等杂志发表论文8篇,其中中科院1区论文4篇,中科院2区论文4篇,授权发明专利5项。

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