多酸半导体性质的化学调控及其光伏器件设计

Semiconductor materials have been widely used in many areas such as integrated circuits, optoelectronic devices, sensors and photocatalysis. In particular, they have considerable potential in photovoltaic devices such as solar cells. It is of great significance to explore and develop new semiconductors, which promotes the development of photovoltaic devices. Polyoxometalates (POMs), a type of inorganic metal-oxo cluster framework anions, have special structures and fine physicochemical properties. Furthermore, POMs have a similar energy band to semiconductors. However, the semiconductor properties of POMs have rarely been explored so far, which is the critical problems for the applications of POMs in photoelectric conversion devices. This project focuses on the semiconductor properties of POMs, and elucidates the effects of different composition of POMs on their semiconductor properties. By selecting and optimizing POMs semiconductor materials, the POMs/perovskites heterojunction solar cells are fabricated, and the influence of semiconductor properties of POMs on their photovoltaic performance are investigated. These results will provide important theoretical and experimental bases for the development of POMs in photovoltaic devices.

半导体材料已广泛应用于集成电路、光电子器件、传感器和光催化等领域，尤其在太阳能电池等光伏器件方面具有巨大的发展潜力。探索并开发新型的半导体材料对光伏器件的发展具有重要意义。多酸是一类无机多金属氧簇化合物，具有丰富的结构、优异的物理化学性质，并且具有与半导体类似的能带结构。然而，多酸的固体半导体特性目前还未被充分揭示和深入研究，这已经成为发展多酸在太阳能电池等光电转换器件方面应用的关键科学问题。本项目集中研究多酸的固体半导体性质，并阐明多酸化学组成与其半导体性质的相互关系。通过选择和优化合适的多酸半导体材料，设计制备多酸/钙钛矿异质结光伏器件，考察多酸半导体性质对此类光伏器件性能的影响。这些研究为发展多酸在光伏器件方面的应用提供重要的理论和实验依据。

半导体材料因其独特的光电转换性质，已经成为当今最重要的一个研究热点，被广泛的应用到太阳能电池等光伏器件领域。探索并开发新型的半导体材料对光伏器件的发展具有重要意义。深入研究多酸的半导体特性已经成为多酸在太阳能电池等光电转换器件方面应用的关键科学问题。本项目首先利用紫外可见漫反射光谱、电化学循环伏安及表面光电压谱和光电流测试，获得了一系列Keggin 型多酸的禁带宽度，能带位置和光电导性能，从而分析了不同化学组成的多酸的半导体性能。然后制备了PW12/TiO2复合材料和PW12/CH3NH3PbI3复合材料，考察了它们的光电导性能。光电导性能的提高表明，在TiO2或钙钛矿内部光生载流子的分离-复合竞争过程中，多酸的引入促进了载流子的分离和加快其迁移，因而有效地抑制了光生电子-空穴的复合。制备了多酸/钙钛矿太阳能电池，经过多酸分子的加入，钙钛矿电池的平均效率从9.17%提升至11.35%，钙钛矿太阳能电池的光伏性能得到了显著的提升。总之，本项目的研究结果为发展多酸在光伏器件方面的应用提供重要的理论和实验依据。