近红外吸收增强型杂化本体异质结太阳能电池构建及性能研究

This proposal aim to broaden the spectral response into near-infrared range and enhance the short circuit current density (Jsc) of the organic/inorganic hybrid solar cell device based on fabricating organic/inorganic hybrid bulk heterojunction thin films with near-infrared localized surface plasma resonance (NIR LSPR) of I-VI group compound semiconductor nano-particles, and keep the open circuit voltage (Voc) value unchanged as the same time. Coupling the localized electromagnetic field and space charge region to improve the performance of solar cells. The relationship between the carrier separation, carrier transportation, power conversion efficiency, external quantum efficiency and the organic/inorganic bulk heterojunction with enhanced NIR light absorption will be deeply studied. We will investigate to achieve the goal of fabricating novel solar cell device with high performance and low-cost from simple assemble process, this will set the theoretical and technological stage for prospective NIR light energy absorption solar cell development.

本项目拟在具有连续电荷传输通道的有机\无机杂化本体异质结薄膜基础上引入I-VI族化合物半导体纳米颗粒的近红外局域表面等离子体共振（NIR LSPR）效应，在保持太阳能电池器件开路电压(Voc)的同时，将器件的光谱响应范围拓宽到近红外区，提高短路电流密度(Jsc)。利用局域电磁场和空间电荷区之间的耦合作用提高有机无机杂化太阳能电池器件的光电转化性能。深入研究具有近红外区光吸收增强的有机无机本体异质结薄膜与载流子分离、载流子传输等问题之间的关系，及其对光电转化效率，外量子效率等性能的影响，在此基础上实现利用简单的制备工艺构建高效低成本太阳能电池器件的目标，为可利用近红外光能量的新型太阳能电池器件的研制提供理论基础和应用技术。

太阳光谱中约43%的红外区能量不能被太阳能电池较好地利用。因此，研究近红外区光吸收增强的太阳能电池具有重要意义。将具有近红外局域表面等离子共振（NIR LSPR）效应的纳米材料与有机无机杂化太阳能电池复合，有望实现这一目标。本项目主要研究内容包括：1. 制备了Ag2S、ZnO、BiOX (X=Cl, Br, I) 等具有纳米片状或者棒状结构的阵列薄膜，以金属薄膜材料为前驱体制备了CH3NH3PbI3和CuBiI4光电薄膜材料，并组装太阳能电池器件。2. 制备了具有NIR LSPR效应的油溶性CuS纳米晶材料，实现了CuS纳米晶油相到水相的转移，研究了具有NIR LSPR的CuS材料和具有LSPR效应的Au纳米晶对有机无机杂化太阳能电池性能的影响；利用简单的低温方法制备出了在水溶液中具有良好分散性的多元硫化物纳米晶材料，如Cu2ZnSnS4，CuInS2等。3. 利用瞬态表面光电压技术分析半导体薄膜、复合薄膜的光生载流子动力学过程，并用于指导太阳能电池中表界面的调控。在本项目的实施过程中，课题组利用瞬态表面光电压技术揭示了共轭有机半导体材料中存在的波长依赖载流子动力学过程、CuS纳米晶与共轭聚合物复合后的载流子动力学过程、Ag2S/FTO界面失配的载流子动力学过程，并研究了这些过程与最终器件光电性能之间的关系。在基于Ag2S为主要吸收体的有机无机杂化太阳能电池器件上获得了1.88%的光电转换效率，器件的光电响应范围从紫外区延伸到近红外区（Jsc达到19.9 mA/cm2）。另外在有机无机杂化钙钛矿太阳能方面，制备出了含有碘化铅的稳定钙钛矿太阳能电池，在40% RH的条件下经过250天器件依然保持了原有性能的72%，并通过光生载流子动力学过程的研究解释了碘化铅对器件稳定性的贡献。本项目的实施为进一步理解纳米晶材料的NIR LSPR效应在有机无机杂化太阳能电池中的作用起到了一定的指导意义，同时，上述体系中光生载流子动力学过程的研究对新型太阳能电池的设计和构建具有重要意义。.共发表相关SCI收录研究论文10篇（基金标注），新申请及授权国家发明专利共9件，参与并获得河南省科技进步一等奖1项。