基于室温制备的Ⅰ-Ⅵ族纳米晶的本体异质结薄膜太阳能电池界面微结构与光伏性能研究

Constructing low-lost, highly efficient solar cells with novel nanostructures, and finding out the relationship between interfacial microstructure in the devices and their photovoltaic properties set the theoretical and technological stage for prospective photovoltaic industrial development. This proposal is to fabricate Ⅰ-Ⅵ group (Ag2S, Cu2S, Ag3CuS2, Cu7.2S2Se2 etc.) nanocrystalline arrays which present high chemical stability and light-absorbing coefficient by an in-situ wet chemical method at room temperature, and construct bulk heterojunction (BHJ) solar cells by infiltrating conjugated organic molecules into the nanocrystalline arrays. Based on a room temperature slow drying process for device with ITO/Ag2S:P3HT/Au structure, we aim to deeply investigate the relationship between the changes of interfacial microstructure and the optical absorption, exciton diffusion and dissociation, carrier transmission, but also demonstrate the influence of changes of interfacial microstructure on open-circuit voltage, short-circuit current, fill factor and power conversion efficiency of photovoltaic devices and obtain optimal microstructure parameters of the best device, which would guide the following design and fabrication of various BHJ solar cells containing I-VI group nanocrystals with ordered microstructures. Finally, through the regulation and optimization of the interfacial microstructures, we will further improve the conversion efficiency of such novel photovoltaic devices with low cost and low energy consumption.

构筑高效低成本的新型纳米结构太阳能电池，揭示器件内部界面微结构与最终光伏性能之间的关系，是未来光伏产业发展的理论和技术基础。本项目拟通过室温湿化学法原位制备化学稳定性高、光吸收系数大的Ⅰ-Ⅵ族（Ag2S、Cu2S、Ag3CuS2、Cu7.2S2Se2等）纳米晶阵列薄膜，并将其与共轭有机分子复合构建本体异质结薄膜太阳能电池，旨在从ITO/Ag2S:P3HT/Au器件的室温缓慢干燥处理着手，深入研究电池内部界面微结构变化与光吸收、激子扩散及解离、载流子传输等过程的关系，探讨界面微结构变化对电池器件开路电压、短路电流、填充因子以及光电转换效率的影响，以期获得最佳光伏性能器件的界面微结构参数。我们将以此为指导来设计和制备各种基于Ⅰ-Ⅵ族纳米晶的微观有序本体异质结薄膜太阳能电池，通过对器件内部界面微结构的调控及优化，进一步提高此类新型低能耗、低成本电池器件的光电转换效率。

课题组圆满完成了计划书中拟定的研究任务及研究目标。利用简单的室温或低温条件下元素直接反应制备了多种表面形貌及结构可控的Ⅰ-Ⅵ族二元和多元化合物半导体纳米晶薄膜材料，如Ag2S、Cu2S、Ag3CuS2、Ag2Se、Ag2O、Cu0.5Ag1.5Se、Cu2ZnSnS(Se)4、Cu7.2S2Se2等，并对这些材料的光电性能进行了评价；通过与共轭有机半导体材料（P3HT、MEH-PPV、PTB7、PCE-10、Sprio-OMeTAD、PCBM、CH3NH3PbI3等）的复合，构建了具有本体异质结结构的有机无机杂化薄膜太阳能电池器件；探讨了纳米晶形态、共轭有机物渗入程度、活性层厚度、保存环境、退火条件、室温缓慢干燥时间、电极制备等因素对电池器件性能的影响；揭示了界面微结构变化与光吸收、激子扩散与解离、载流子传输及在电极的收集等过程的关系，及其对光电转换效率的影响。特别是我们对Ag2S和Ag3CuS2薄膜材料与有机半导体构成的杂化薄膜太阳能电池进行了全面和深入的研究，包括器件的结构优化、有机无机界面调控、Ag2S薄膜改性、Ag2S/有机物杂化薄膜光生载流子动力学过程、有机半导体材料的载流子注入、能级匹配等方面，发现了波长依赖的光电响应过程，这可能限制了以无机窄带隙半导体材料作为光吸收层的杂化太阳能电池性能的提高。基于Ag2S:P3HT杂化太阳能电池器件从材料制备到器件组装都在室温条件下进行，其光吸收范围从紫外到近红外几乎覆盖了太阳光的全光谱，器件表现出了较高的短路电流密度（超过20mA/cm2），通过对器件内部界面微结构的调控及优化，此类低成本、低能耗新型Ⅰ-Ⅵ族电池器件的光电转换效率超过2%，并表现出非常优异的稳定性，组装的器件组在没有进行任何封装的情况下可以保持光电转换性能一年以上，组装成太阳能电池组件后能够成功带动1.5V的温湿度计或者1.5V的风扇，具有很好的工业应用前景。共发表相关SCI收录研究论文38篇（基金标注），包括美国化学会J. Am. Chem. Soc. 杂志（第一标注），新申请及授权国家发明专利共14件，培养博士研究生1人，硕士研究生8人，本科生9人，并获得7项省级以上奖励，举办或参加学术会议19次。