全无机Cs2PbI2Cl2/CsPbI3-xBrx钙钛矿晶体生长动力学行为及其太阳电池研究
批准号:
52102247
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李珍珍
依托单位:
学科分类:
无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李珍珍
中文摘要
钙钛矿太阳电池因低廉的材料成本、简单的制备工艺和高的光电转换效率,在近年来获得了世界范围的广泛关注。全无机钙钛矿材料作为钙钛矿太阳电池光吸收层的最佳候选者之一,虽具有热稳定好和光伏半导体特性优异等优点,却在成膜过程中极易受到因晶体结构发育不完全而造成薄膜均一性差、薄膜内部缺陷较多和相稳定性差等问题的困扰。本项目旨在保证全无机钙钛矿材料相稳定性的同时,对全无机钙钛矿材料的晶体生长动力学和载流子传输机制进行深入研究和探讨。重点研究Cs2PbI2Cl2/CsPbI3-xBrx异质结构晶体生长过程中的动力学影响和二者竞争生长的理论机制,并探寻有效抑制薄膜中枝晶偏析的方法;从异质结构构建和晶体生长动力学角度对Cs2PbI2Cl2/CsPbI3-xBrx异质结构的载流子倍增现象进行综合分析,并提出全无机钙钛矿太阳电池光电转换效率提升策略。本项研究对全无机钙钛矿太阳电池的进一步商业化具有重要的意义。
英文摘要
Perovskite solar cells have gained worldwide attention in recent years due to their low material cost, simple preparation process and high photoelectric conversion efficiency. As one of the best candidates for the light absorption layer of perovskite solar cells, all-inorganic perovskite materials have the advantages of good thermal stability and excellent photovoltaic characteristics. However, all-inorganic perovskites are extremely vulnerable to the influence of crystal growth kinetics during the film formation process. This process may cause problems such as poor film uniformity, formation of internal defects within the film, and poor phase stability at room temperature. In this project, we will focus on the study of the dynamics of Cs2PbI2Cl2/CsPbI3-xBrx heterostructure crystal growth process and the theoretical mechanism of the competitive growth of heterostructures, and explore methods to effectively inhibit dendrite segregation within the films. The carrier multiplication phenomenon of Cs2PbI2Cl2/CsPbI3-xBrx heterostructure will be comprehensively analyzed from the perspective of heterostructure construction and crystal growth kinetics. Further, the strategies to improve the photoelectric conversion efficiency of all-inorganic perovskite solar cells will be proposed. The research is of great significance to the commercialization of all-inorganic perovskite solar cells.
钙钛矿太阳电池因其制备工艺简单、成本低廉和光电转换效率高等优点,在近年来受到广泛关注。作为钙钛矿太阳电池吸光层的重要候选材料之一,全无机钙钛矿材料具有良好的热稳定性和优异的光伏特性。然而,全无机钙钛矿在薄膜形成过程中极易受到晶体生长动力学的影响,导致薄膜均一性差、薄膜内部缺陷形成以及室温下相稳定性差等问题。本项目通过系统研究Cs2PbI2Cl2/CsPbI3-xBrx异质结构晶体生长过程的动力学特性及异质结构竞争生长的理论机制,探索了抑制薄膜内部枝晶偏析的方法。研究发现,通过缓慢溶剂蒸发法可以有效控制晶体生长,显著提升薄膜质量。基于密度泛函理论计算表明,Cs2PbI2Cl2的生成焓显著低于CsPbI3,为异质结构的稳定性提供了理论支撑。在器件优化方面,通过创新性地开发双层SnO2电子传输层制备策略,电子提取效率提升30%,器件迟滞效应显著降低。优化后的大面积全无机钙钛矿太阳电池光电转换效率达到13.70%,在氮气环境下持续工作216小时后仍保持85%的初始效率。在光催化应用研究中,该异质结构表现出优异的光催化性能,可在4分钟内实现罗丹明B的完全降解。通过电化学阻抗谱、稳态及瞬态光致发光等多维表征手段,系统研究了异质结界面的载流子行为,揭示了界面处载流子分离效率提升的微观机制。研究表明,异质结构界面形成的能级梯度和内建电场显著促进了光生载流子的快速分离,有效钝化了界面缺陷,延长了载流子寿命。这些研究成果为开发高效稳定的钙钛矿光电器件提供了重要的理论指导和实验依据。
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