无机-有机杂化钙钛矿半导体在纳米结构太阳能电池上的应用

Solidification and high efficiency are important to the practical usage of the new generation solar cells. Organic-inorganic hybrid perovskite semiconductor show potential usage in dye sensitized solar cells as the sensitizer and the solid electrolyte, which attracted much attention nowadays. For the special structure of organic-inorganic perovskite semicondutor, it is easy to tune the property by changing the structure, so that the excellent electrical and optical property can be realized. In this research, dopping and hybridization of perovskite semiconductor will be carried out to improve the optical and electrical property of the semiconductor: firstly, using functionized amine as the organic part of the semiconductor to improve the carrier transport; secondly, using transition metal and rare earth metal to dope the metallic part of the semiconductor to improve the optical response; thirdly, changing the halogen element to improve the property of perovskite. Furthermore, we will use quantum dots and small organic dye molecula to hybrid the perovskite semiconductor. It is aimed to improve the light-to-electric response of the hybrid materials. After clearifing of the property of the modified perovskite materials, perovskite semiconductor sensitized solar cells and the P-N type nano-structured solar cells are prepared by the synthetic materials. All solid-state and high efficient solar cells can be made by the hybrid perovskite semiconductor.

固态和高效是新型太阳能电池实用化的前提。2012年报道固态染料敏化纳米晶太阳能电池使用有机-无机杂化钙钛矿半导体材料作为敏化材料以及固态电解质表现出了优异性能，因而本项目聚焦于该材料在光伏器件中的开发利用。有机-无机杂化钙钛矿半导体是同时具有有机和无机组分的多元化合物，具备丰富可调的光电性能，本项目拟通过对有机组分的功能基团进行设计以及对金属离子和卤族离子掺杂形成"合金"的方法，提高材料的光谱吸收以及载流子传输性能。同时，基于有机-无机杂化钙钛矿光伏材料同时可以和有机和无机相兼容的特点，项目拟通过使用无机量子点材料和有机小分子染料对钙钛矿光敏材料进行杂化，以增加杂化材料的光谱响应性能。本项目希望通过设计以及杂化钙钛矿材料的手段，得到材料能带结构、光谱响应以及载流子传输性能的调节规律。在此基础上，设计和制备高效全固态钙钛矿纳米结构太阳能电池。

在基金项目的支持下，对钙钛矿的生长，电池内部界面问题，以及掺杂改性钙钛矿材料等关键问题进行了研究，取得了较为丰富的研究成果。. 目前，掌握了自主设计的杂化钙钛矿薄膜的一步以及两步制备法，制备出15%光电转换效率的平面n-i-p型太阳能电池（Solar Energy Materials and Solar Cells，2015,141,377等）。. 针对钙钛矿材料在潮湿环境易降解，在钙钛矿层外修饰憎水层，有效的提高了器件的稳定性并抑制了电池界面电子复合，相关工作发表在Chemical communications, 2015,51,7047。针对钙钛矿界面问题，在钙钛矿表面进行极性分子处理，形成PbI2阻挡层，有效抑制界面电子复合，提高了电池效率（RSC Advances, 2016, 6, 9090）。在二氧化钛中掺入钨元素，有效的提高了光阳极的电子传输，钙钛矿太阳能电池性能得到改善（Electrochimica Acta, 2016, 195,143）。由于之前二氧化钛掺杂以及硫化锑量子点掺杂工作的积累，并认识到掺杂替换对材料性能的重要影响，在青年基金的资助下，已经着手钙钛矿铅位元素的掺杂和替换。初步尝试了锑Sb元素的掺杂，实现了对钙钛矿的n型掺杂，提高了钙钛矿的导带能级，增加了电池内部的内建电势，电池效率得到提高。同时使用第一性原理阐明了掺杂后材料的能级结构，对所得的实验现象进行了深入解释。相关研究结果发表在ACS Energy Lett. 2016, 1, 535.541。除此，发现了无铅CH3NH3Sb2/3I3的层状钙钛矿结构，具备潜在的发光性能。. 对钙钛矿传输的空穴传输材料spiro-ometad进行无机空穴传输材料的掺杂，提高了材料的性能和电池的效率。. 目前，在项目的支持下，负责人研究以及参与指导发表有机无机杂化钙钛矿相关论文17篇,申请发明专利4项。培养研究生4人。取得较为丰硕的研究成果。希望能有能多好的成果在未来出现。