环境友好钙钛矿类半导体材料的设计合成、能带调控与光伏性能研究

Lead-based halide hybrid perovskite solar cells, characteristic of their high power conversion efficiency and low-cost fabrication, are the focus of photovoltaic science at present. However, they are limited in lead toxicity, which severely hinders their large-scale territorial application in future. This research proposal aims at exploiting novel semiconductor materials with perovskite-like structures that are environmentally benign, mainly focused on Bi(III) and Sn(IV)-based hybrid perovskite materials. We will tailor their chemical compositions and vary their band gaps with ideal gaps in the range of 1.4±0.5 eV. We also plan to systematically study their fundamental properties, film processing, and interfacial modifications so as to achieve solar cell device with reasonable performance. It is our ultimately aim to reveal the relationship between the microstructure of the new materials, interfacial characteristics of device and performance, thereby developing environmentally benign solar cells with low cost and high performance.

铅基卤化物杂化钙钛矿太阳能电池效率很高、制造成本很低, 是太阳能电池的重要前沿热点研究领域。但铅基钙钛矿材料的毒性较强, 制约了它们潜在的大规模应用。本申请项目以铅的近邻元素, 即环境友好、价态稳定的Bi(III) 和Sn(IV) 为主要目标体系，利用钙钛矿材料的结构特点和演变规律，设计合成新型的钙钛矿结构及其衍生结构的杂化半导体材料(即钙钛矿类半导体材料)；通过化学裁剪, 改变新材料体系的化学组成, 实现能带结构的有效调控, 探索具有合适带隙(Eg = 1.4 ± 0.5 eV)的新型钙钛矿类杂化半导体材料作为太阳能电池的光学活性物质。 在此基础上， 深入研究材料的基础物理化学性质、光电特性与成膜特性、创新太阳能电池的结构，对材料和电池的性能进行准确可靠的评价。进一步将材料的微观结构与电池的光伏性能进行关联，揭示其中规律性的关系, 推动新型环境友好太阳能电池科学的发展。

杂化卤化物钙钛矿具有优异的性能，在光电器件领域应用潜力很大。本项目实现了环境友好Bi基钙钛矿单晶体MA3Bi2I9（MA=CH3NH3）和FA3Bi2I9[FA= CH(NH2)2]的溶液生长，固相反应生长了 AgBi2I7单晶体；利用溶液法和冷静压相结合的方式制备了多晶MA3Bi2I9陶瓷片。这类Bi基材料具有1.4 +/-0.5 eV的带隙,稳定性高、电阻率大以及对X-射线吸收能力强等特点，它们赋予Bi基钙钛矿X-射线探测器优异的探测性能，特别是MA3Bi2I9 呈现了目前最低的X-射线探测下限，工作稳定性非常高。.然而Bi基钙钛矿应用于光伏器件时性能很低。为探索高性能的钙钛矿电池，我们以p-型无机材料构筑了空穴导体的能级梯度结构，大幅度提高了无甲胺体系铅基钙钛矿电池的稳定性，是最早解决兼具高效率（≥ 20%）和高稳定（85 ℃退火1000小时，保持初始性能的80% 以上）的钙钛矿电池方法之一。优化电子传输材料和钙钛矿薄膜的制备工艺，以锐钛矿相TiO2纳米金字塔阵列构建的钙钛矿电池，获得了近22.5% 的效率，创造了当时一维结构钙钛矿电池的最高效率；以 NbCl5改性SnO2纳米晶材料，不仅可提高电子传输能力，还诱导高质量钙钛矿薄膜的生长，钝化界面缺陷，获得了24% 以上的光电转换效率。该项目的进展证明了电池结构的创新、功能分子添加与表界面缺陷钝化在发展高性能钙钛矿电池方面的潜力。