(Sb, Bi)2Se3纳米晶无膦热注射制备及其光电转换性能研究

(Sb, Bi)2Se3 is a novel absorber layer material for thin film solar cells and is rich in natural resources in China. It is expected to replace CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) thin film solar cells for a solution to the problem of resource shortage of CIGS. In this project, (Sb, Bi)2Se3 nanocrystals will be prepared by phosphine-free hot injection method for the first time. The nucleation behavior of the nanocrystals will be investigated. The relationship of composition and structure to the properties of the nanocrystals will be illustrated. A technical prototype for the fabrication under composition and morphology regulation of (Sb, Bi)2Se3 will be bulit. In addition, photoelectrochemical cells comprised of (Sb, Bi)2Se3 nanocrystals will be characterized, and the photoelectric conversion mechanism will be studied. The optimal chemical stoichiometric composition, structure and morphology of the nanocrystals will be determined. This project will have independent intellectual property rights of (Sb, Bi)2Se3 based solar cells with low manufacture cost for large scale applications of the solar cells.

(Sb, Bi)2Se3是一种我国具有资源优势的薄膜太阳电池新型吸光层材料，有望替代CuIn1-xGaxSe2，解决CuIn1-xGaxSe2薄膜太阳电池发展中存在的资源稀贵短缺的难题。基于此，本项目率先采用无膦热注射法制备(Sb, Bi)2Se3纳米晶，揭示纳米晶形核生长机理，阐明纳米晶成分、结构和性能相互关系，建立形貌、组分可控的(Sb, Bi)2Se3纳米晶无膦热注射制备技术原型；构建(Sb, Bi)2Se3纳米晶光电化学池并研究其光电转换特性，确定具有最优光电转换特性(Sb, Bi)2Se3纳米晶的理想化学计量比组成及形貌。项目研究将形成具有自主知识产权的新型(Sb, Bi)2Se3太阳电池材料制备技术，对增值我国具有显著优势的Sb资源，推动太阳电池低成本制造与大规模应用具有重要意义。

(Sb, Bi)2Se3是我国具有资源优势的一种薄膜太阳电池新型吸光层材料，有望替代CuIn1-xGaxSe2（CIGS），解决CIGS薄膜太阳电池发展中存在的资源稀贵短缺的难题。基于此，本项目采用无膦热注射法制备(Sb, Bi)2Se3纳米晶，揭示纳米晶形核生长机理，阐明纳米晶成分、结构和性能相互关系，建立形貌、组分可控的(Sb, Bi)2Se3纳米晶无膦热注射制备技术原型。开发了绿色高活性DMAB/Se/OLA硒源溶液，实现了多种(Sb, Bi)2Se3纳米晶的绿色无膦热注射法制备，并对纳米晶的光学性能和光电转换性能进行了表征，得到以下创新性结果：.①　以DMAB/Se/OLA为硒源，分别以醋酸锑和氯化锑为锑源，在油胺溶剂实现了Sb2Se3纳米晶的无膦热注射法制备。在醋酸锑为锑源的反应体系中，调整锑硒比即可有效抑制Sb2O3杂相的生成；以氯化锑为锑源的反应体系中，需要控制合适的反应温度范围才能生成纯相Sb2Se3纳米晶。所得Sb2Se3纳米晶产物为片条状，其禁带宽度为1.06 eV，Sb2Se3纳米晶薄膜电极的光响应良好且稳定，可产生0.005 mA/cm2的光生电流。.②　通过控制反应温度，以油胺为反应溶剂，选择性合成了Bi2Se3，Bi8Se9，Bi1.007Se0.993三种不同物相的硒化铋纳米晶，并得出不同物相的形成是由温度变化引起的反应前驱体变化所致。三种物相的硒化铋纳米晶具备不同的形貌和结构，具有分别为0.85eV，1.2eV和1.25eV的不同禁带宽度，而在光电化学池测试中，Bi2Se3物相表现出最佳的光电转换性能。.③　采用原位合金化的方式，制备出不同成分和带隙宽度的(BixSb1-x)2Se3纳米晶。反应试剂的种类和金属前驱体化学计量比例对(BixSb1-x)2Se3纳米晶产物影响巨大，在适当条件下可以实现Bi原子对Sb原子晶格的原位替代，最终形成禁带宽带可调的(BixSb1-x)2Se3纳米晶。.本项目实施完成，形成了一系列具有自主知识产权的锑、铋硒化物纳米晶无膦热注射制备技术，对增值我国具有明显优势的锑资源，推进硒化锑材料在太阳能光伏、热电等新能源领域的规模应用具有重要意义。