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全无机CsPbI3钙钛矿太阳能电池:结构畸变/维度调控的材料学策略与光伏性能研究
结题报告
批准号:
51702107
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
24.0 万元
负责人:
牛广达
依托单位:
学科分类:
E0207.无机非金属半导体与信息功能材料
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
Waqar Ahmad、鲁帅成、王亮、赵洋、何一粟
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中文摘要
全无机钙钛矿电池规避了传统钙钛矿电池中有机材料易吸湿、易分解的问题,因而具有良好的水汽、光照、热稳定性,但目前瓶颈是带隙较大(>1.8eV),能量损失严重,不适于单结或叠层电池活性层;CsPbI3钙钛矿的带隙为1.73eV,基于该材料的光伏器件有望作为叠层电池顶电池使用,与硅叠层,应用前景好,但因其钙钛矿相难以稳定,实际应用受到限制。本项目基于申请人从博士阶段即关注的钙钛矿稳定性问题,结合工作单位课题组在薄膜电池和无机材料方面的前期基础,开展全无机CsPbI3钙钛矿电池研究。以减小结构畸变和降低晶体维度为指导,理性调控CsPbI3的组成与结构,提高其结构稳定性;研究外来离子对结构畸变和维度(三维--->准二维--->二维)的调控作用,及其对带隙、电荷输运、缺陷浓度等的影响,揭示结构畸变、晶体维度与光电性质、光伏性能的构效关系;采用无机电子和空穴传输层制备高效、稳定的全无机钙钛矿太阳能电池。
英文摘要
All inorganic perovskite solar cells avoid the risks of hygroscopicity and decomposition for organic-inorganic hybrid perovskites, and thereby exhibit excellent stability toward moisture, light soaking, and thermal treatment. However, most of the inorganic perovskites are not suitable for single junction or tandem solar cells due to their large band gaps (> 1.8 eV) and thus serious loss in light absorption. Fortunately, CsPbI3 perovskite, with a band gap of 1.73 eV, could potentially serve as top cells in tandem devices with silicon solar cells. The current restriction for CsPbI3 is the poor perovskite phase stability, limiting their performance when phase changing to yellow δ-CsPbI3. This project aims to stabilize CsPbI3 perovskite phase as well as maintaining the band gap characters, under the guidance of lowering structure distortion and decreasing crystal dimensionality through introduction of foreign ions. In addition, we will mainly focus on the deep mechanism of structure distortion and dimensionality control by foreign ions, the influence of structure on optical and electronic properties, such as band gap, carrier transport, and defect concentration et al. Finally, this project will also develop inorganic electron and hole transport materials, aiming to fabricate all-inorganic perovskite solar cells with high performance and long-term stability.
本项目面向钙钛矿电池中有机材料易吸湿、易分解,无机钙钛矿材料相难以稳定等现状,核心目标为无机钙钛矿材料探索、高质量膜层制备及光伏器件研究。本项目从以下三个方面开展工作并取得如下成果:(1)材料方面,探索了CsPbI2Cl2、CsPb(I1-xSCNx)3、CsPbBr2I、Cs2AgBiBr6、Rb3Bi2I9、Cs3Bi2Br9等无机钙钛矿材料,带隙在1.7-2.7eV范围,其中Cs2AgBiBr6材料的载流子迁移率寿命积值达到10-3 cm2 V-1。(2)薄膜制备方面,发展了冷等静压和熔融热压两种方法制备钙钛矿膜层,其中通过熔融热压法可以实现取向一致的大面积致密膜,光电性质优异,针对膜层多晶晶界位置的卤素空位缺陷,提出采用异质外延钝化新机制,大幅抑制离子迁移,基线漂移降低一个数量级。(3)电池器件方面,发展了氧掺杂型氧化镍空穴传输层,显著降低其与钙钛矿之间的能级差距,发展Cs4SnO4无机界面修饰层,提升了器件开路电压,最终制备的器件稳态输出效率达到19.2%,且具有优异的热稳定性和湿度稳定性;初步制备的CsPbI3太阳能电池目前效率为4.52%,器件性能仍需进一步优化。此外,本项目探索发现的无机钙钛矿Cs2AgBiBr6材料具有间接跃迁特征,不适用太阳能电池器件,拓展探索了基于其的新型X射线探测器,器件灵敏度达到250 µC Gyair-1 cm–2,并初步实现了X射线点阵和线阵成像。项目研究期间发表多篇高水平论文,包括1篇Nature Communications,2篇Advanced Materials,2篇Advanced Functional Materials,2篇Journal of Materials Chemistry A, 1篇Nano Letters,1篇Journal of Materials Chemistry C;授权中国发明专利1项;受邀在半导体青年学术会议、新材料国际发展趋势高层论坛等国内外会议上做无机钙钛矿光电器件邀请报告7次,口头报告5次。相关工作入选2017中国光学十大进展和2018年华中科技大学重大学术进展。项目负责人牛广达先后入选万人计划青年拔尖人才计划、中国科协青年人才托举工程、2018年湖北省楚天学子、2019年华中科技大学学术新人奖。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Lead-Free Halide Rb2CuBr3 as Sensitive X-Ray Scintillator
无铅卤化物 Rb2CuBr3 作为灵敏 X 射线闪烁体
DOI:10.1002/adma.201904711
发表时间:2019-09-18
期刊:ADVANCED MATERIALS
影响因子:29.4
作者:Yang, Bo;Yin, Lixiao;Tang, Jiang
通讯作者:Tang, Jiang
Heteroepitaxial passivation of Cs2AgBiBr6 wafers with suppressed ionic migration for X-ray imaging
用于 X 射线成像的 Cs2AgBiBr6 晶圆异质外延钝化,抑制离子迁移
DOI:10.1038/s41467-019-09968-3
发表时间:2019-04
期刊:Nature Communications
影响因子:16.6
作者:Yang Bo;Pan Weicheng;Wu Haodi;Niu Guangda;Yuan Jun-Hui;Xue Kan-Hao;Yin Lixiao;Du Xinyuan;Miao Xiang-Shui;Yang Xiaoquan;Xie Qingguo;Tang Jiang
通讯作者:Tang Jiang
Oxygen doping in nickel oxide for highly efficient planar perovskite solar cells
氧化镍中的氧掺杂用于高效平面钙钛矿太阳能电池
DOI:10.1039/c8ta00161h
发表时间:2018-03
期刊:Journal of Materials Chemistry A
影响因子:11.9
作者:Guangda Niu;Siyu Wang;Jiangwei Li;Wenzhe Li;Liduo Wang
通讯作者:Liduo Wang
The role of interface between electron transport layer and perovskite in halogen migration and stabilizing perovskite solar cells with Cs4SnO4
电子传输层和钙钛矿之间的界面在卤素迁移和Cs4SnO4稳定钙钛矿太阳能电池中的作用
DOI:10.1039/c8ta09382b
发表时间:2018-11
期刊:J. Mater. Chem. A
影响因子:--
作者:Zhao Bingxin;Niu Guangda;Dong Qingshun;Liu Jing;Li Nan;Li Jiangwei;Wang Liduo
通讯作者:Wang Liduo
All-Inorganic Bismuth-Based Perovskite Quantum Dots with Bright Blue Photoluminescence and Excellent Stability
具有亮蓝色光致发光和优异稳定性的全无机铋基钙钛矿量子点
DOI:10.1002/adfm.201704446
发表时间:2018-01-04
期刊:ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS
影响因子:19
作者:Leng, Meiying;Yang, Ying;Tang, Jiang
通讯作者:Tang, Jiang
铯铅溴X射线面阵探测器研究:准单晶生长策略及缺陷性能调控
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    牛广达
  • 依托单位:
国内基金
海外基金