新型光电化合物铯锡碘CsSnI3薄膜的制备与基本材料问题研究及其全新太阳电池的原位构筑

In recent years, the new compound material CSI with excellent photoelectric properties has attracted comprehensive attentions, but still exists some basic material problems to be solved so far, such as the preparation of its thin films and the stability. In view of above questions, a novel liquid-solid mixing precss is empoyed to synthesize the single-phase target, and the PLD technology with good composition control between the target and the films is picked out as the problem solving of preparing high quality films in this research. We present the halogen doping process to improve the stability of the material, and detailed research on the effect of doping on the material crystal structure transformation, carrier transport properties and the stability. Meanwhile, we try to built its brand-new photovoltaic thin film device with structure of Glass/Mo/CSI/n type material/AZO/Ni-Al using in situ PLD method. We will focus on the lattice matching and the band gap arrangement rule of heterojunction materials, and figure out the n type matching material with CSI heterojunction. Based on the successful project implementation, it is expected to further reveal the phase change of the crystalline structure and the doping stabilitzation mechanism, providing a new research idea for its thin films preparation and theoretical study, and hopeful promotes the further application in the photovoltaic field with this new photoelectric material, so has important scientific significance and potential application prospect.

最近，新型化合物材料CSI优异的光电特性引起人们的广泛关注，但目前仍存在薄膜制备及稳定性等基本材料问题需要解决。针对上述问题，本项目设计了新颖的液-固混合工艺制备单相靶材，选择靶膜成分一致的PLD技术来制备高质量CSI薄膜，提出卤素掺杂工艺来解决材料稳定性等关键问题；并重点研究卤素掺杂对材料晶体结构相变、载流子输运性质及稳定性的影响规律。同时，本课题还将尝试其光伏薄膜器件的探索，在PLD腔中原位构筑结构为Glass/Mo/CSI/n型材料/AZO/Ni-Al的全新薄膜太阳电池；重点研究异质结材料的晶格匹配及带隙排列规律，解决CSI异质结的n型匹配材料问题。本项目的成功实施，预期将揭示CSI材料的晶体结构相变及掺杂稳定机理，为其薄膜材料的实验制备及理论研究提供新的思路，可望推动该新型光电化合物材料在光伏领域的进一步应用，因而具有重要的科学意义及潜在的应用前景。

近年来，新型化合物材料CSI由于具有优异的光电性能而引起人们的广泛关注，但目前仍存在薄膜制备及稳定性等基本材料问题需要解决。针对上述问题，本项目设计了新颖的液-固混合法结合PLD技术来制备高质量CSI薄膜，并采用掺杂取代策略来解决该材料的稳定性问题，进而构筑全新结构的CSI太阳能电池。主要研究内容包括CSI材料体系的合成及其反应相变机理研究、CSI薄膜材料体系的制备及表征、CSI薄膜材料体系的掺杂取代研究、CSI体系太阳能电池的试制、MAPbI3钙钛矿电池和CIGS电池研究等。经过三年研究，本项目成功探索出CSI材料的液相法和熔融法合成工艺，发现了该材料的相变规律，并证明溶液法也可制备出黑色B-CSI相。同时，开发出CIS薄膜的溶液法和PLD制备技术，发现薄膜易从黑色相向黄色相转变；并首次发现C2SI6到-CSI的新奇相变，丰富了CSI体系的相变转换路线。通过Cl、Pb及FA的掺杂取代，大幅度提高了CSI材料的稳定性，揭示了掺杂稳定机理，分别制备出较为稳定的CsSn(I,Cl)3、CsPbI3及(Cs,FA)PbI3薄膜，初步解决了材料的稳定性问题。通过对异质结晶格及能带匹配研究，制备出FTO/TiO2/CSI/HTM/ Ag（Au）结构的全新CSI原理型光伏器件；通过Cl掺杂可制备出CSI效率器件；而Pb取代可制备出较为近5%效率的CsPbI3钙钛矿电池；通过Pb及FA取代，制备出稳定(Cs,FA)PbI3电池，效率超过10%。最后，还开发出多种MAPbI3钙钛矿电池的CVD制备工艺和CIGS电池的低成本非真空制备技术。本项目取得了较为丰硕的研究成果：以第一及通讯作者发表SCI论文10篇，包括JPCL、CC、JMCA、ACS ami、JPS及JMCC等一区和自然指数高水平论文7篇，含ESI高引论文1篇；会议论文3篇；申请专利5项，授权3项。本项目的成功实施，为CSI薄膜材料的实验制备及理论研究提供了新思路，可望推动该新型光电化合物材料在光伏领域的进一步应用，具有重要的科学意义及潜在的应用前景。