硫卤化锑材料体系的光伏特性与器件研究

As the energy and environmental are becoming international urgent issues in the last decades, exploration and utilization of renewable and clean energy is highly demanded for the sustainable development of the national economy, typically the efficient use of solar energy. Ferroelectric materials for photovoltaic applications are attracting great research interest, especially for the power conversion efficiency of perovskite solar cells are boosting in recent years. From the material basis, to avoid the stability problem of the ferroelectric organic-inorganic hybrid materials, and to overcome the light absorption limit of ferroelectric perovskite oxide, this project proposed the research of photovoltaic property and device fabrication of the chalcohalides SbEX(E=S,Se;X=Br,I). The SbEX materials are ferroelectric, exhibiting spontaneous electric polarization, with the band structure tuned by the components, size, morphology and interface structure, which favor the separation and transport of the charge carriers. The SbEX materials also show good thermal stability, environment friendly and abundant of raw resources. However, photovoltaic device utilizing SbEX materials is not reported in open literatures up to present. This project plans to carry out the basic research of the controllable synthesis, band engineering, film technique, photovoltaic device architecture, related chemical and physical mechanisms of chalcohalides SbEX materials and corresponding solar cells. It would open a new route toward new photovoltaic devices with high efficient.

在能源和环境问题日趋严峻的时代背景下，国民经济的可持续发展对可再生清洁能源提出了迫切需求，太阳能的高效利用正是其中一种重要的新能源。铁电光伏材料及器件，特别是钙钛矿太阳能电池效率的飞速提升，使该领域在世界范围内引起了极大关注。目前在材料基础上面临着两个挑战，一是铁电光伏杂化材料的稳定性问题，二是铁电光伏氧化物材料的光吸收问题，因此，本项目提出研究硫卤化合物铁电材料即SbEX(E=S,Se;X=Br,I)体系的制备、光伏特性与器件。SbEX材料是能级结构合适、具有自发极化特性的铁电材料，能够通过成分、尺寸、形貌和界面结构进行能级调控，有利于电荷分离与传输，具有良好的热稳定性，绿色环保，且原料储量充沛。目前该体系的光伏器件尚未见公开文献报道。本项目计划开展SbEX体系材料的可控合成、能级调控、成膜技术、光伏器件结构及相关化学和物理问题的基础研究，为开发新型高效光伏器件打下基础、开拓新的道路。

在能源和环境问题日趋严峻的背景下，国民经济的可持续发展对以太阳能为代表的可再生清洁能源的利用提出了迫切需求。硫卤化锑材料是能级结构合适、具有自发极化特性的铁电材料，能够通过成分、尺寸、形貌和界面结构进行能级调控，有利于电荷分离与传输，具有良好的热稳定性，绿色环保，原料储量充沛，是光电、光伏领域极具潜力的材料体系。本项目开展了硫卤化锑及其相关材料的可控合成、能级调控、器件、光催化及相关化学和物理问题的基础研究，主要结果如下：.（1）研究了硫卤化锑宏观晶体、微晶和纳米晶的合成方法，获得了尺寸可调的SbSI纳米晶与纳米线，首次实现了量子尺寸限制效应对SbSI吸收光谱的连续调控。.（2）研究了SbSI纳米晶的光催化性质，其甲基橙可见光降解速率高出目前已报道的最好结果1-2个数量级，从纳米尺寸、结构、表面、能级结构等方面阐明了高可见光催化活性来源于其能够高效地产生单线态氧，并对单线态氧的产生的机理进行了研究，成果发表于ACS Sustain. Chem. Eng., 2018, 6, 12166。.（3）提出了一种以SbSI纳米线为前驱体，原位制备Sb@N-C复合材料的方法，将其用于锂电池负极材料，获得了在0.5 A/g下100次循环536 mAh/g容量，1A/g下2000次循环342 mAh/g容量，具有良好的可逆性和长循环非衰变稳定性。相关结果发表在J. Alloy. Compd. 2020, 814, 152161。.（4）锑是合成硫卤化锑的前驱反应物，在激光、电池等领域亦有重要应用。我们通过对溶液体系的设计，采用激光法制备了尺寸在10-100 nm范围内可控、分散性良好的的球形锑纳米晶，研究了其尺寸调控的机理。相关结果正在投稿中。.（5）通过机械剪切法获得了高纯度的锑烯。首次以锑烯为源，制备了Sb-Au，Sb-Ag，Sb-Pd纳米薄片，后续性质与应用研究仍在进行当中。.（6）研究了SbSI薄膜的制备、基于SbSI纳米线柔性光敏探测器的制备与光电响应特性，光伏器件制备与表征相关设备也将在近期配备完全，后续将继续深入开展该方向的研究。.（7）探索了钙钛矿量子点的可控合成及其在离子传感、日盲探测、偏振光电器件等方面的应用。