基于全无机/有机无机杂化钙钛矿的高性能两端叠层太阳能电池研究
批准号:
62104028
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:
张婷
依托单位:
学科分类:
半导体器件物理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张婷
中文摘要
昂贵的成本是制约传统高效率叠层光伏技术广泛应用的瓶颈。近年来,可溶液法制备的有机无机杂化钙钛矿叠层太阳能电池由于高效率和低成本特性成为研究热点。针对有机无机杂化钙钛矿叠层电池中顶电池的易挥发有机阳离子以及混合卤素导致的稳定性和开压损失等共性科学问题,本项目拟探索以全无机CsPbI3替代杂化混合卤素钙钛矿构筑高效稳定的两端叠层电池器件。由于CsPbI3具备无有机阳离子、单一卤素的特点,因此具备材料本征特性上的组分稳定性和光稳定性。通过结合子电池电流匹配原理和全器件光场仿真的方法对电池的光吸收层、缓冲层和复合层材料的带隙设计、厚度等关键器件参数进行理论指导,并通过实验验证辅助优化器件性能。探索结晶动力学调控和疏水钝化协同机制攻克CsPbI3光活性相稳定性问题以及CsxFA1-xPbySn1-yI3窄带隙厚膜的薄膜质量问题,最终发展出高效稳定的无机/杂化钙钛矿叠层太阳能电池技术。
英文摘要
The high cost is the bottleneck that restricts the wide application of traditional high efficiency tandem photovoltaic technology. In recent years, solution-processable organic-inorganic hybrid perovskite tandem solar cells have become a research hotspot due to their high efficiency and low cost. Aiming at the common scientific problems of stability issue ascribed to volatile organic cations in the top cell and open-voltage loss caused by mixed halogen, this project intends to explore the use of all inorganic CsPbI3 instead of hybrid mixed halide perovskite to fabricate high-efficiency and stable two-terminal tandem solar cells. Due to free of organic cation and pure halogen, CsPbI3 features intrinsically component stability and photostability. By combining the principle of sub-cell current matching and the method of full-device light field simulation, the bandgap design, thickness and other key device parameters of the optical absorption layer, buffer layer and recombination layer materials of the tandem device are theoretically guided, and the device performance is further demonstrated and optimized by experimental verification. By exploring the crystallization kinetics regulation and hydrophobic-passivation synergistic mechanism, it is intended to realize stable CsPbI3 and the high-quality narrow-band-gap CsxFA1-xPbySn1-yI3 thick film. As a result, we are able to develop efficient and stable inorganic/hybrid perovskite tandem solar cell technology.
通过溶液法制备的有机-无机杂化钙钛矿叠层太阳能电池因其高效率和低成本的优势,已成为当前研究的热点。针对有机-无机杂化钙钛矿叠层电池中顶电池的易挥发有机阳离子以及混合卤素导致的稳定性下降和开路电压损失等共性科学问题,本项目围绕高效率钙钛矿子电池器件展开了系统研究,内容包括全无机CsPbI3电池、窄带隙CsxFA1-xPbySn1-yI3电池的开发及其稳定性提升。在此基础上,进一步开展了高效稳定的两端串联叠层电池的研究,重点包括隧穿结的制备与优化,并利用FDTD软件对钙钛矿子电池的厚度和带隙进行理论建模,优化子电池厚度,探索隧穿结工艺对提升叠层电池效率的影响。此外,初步探索并制备了四端钙钛矿/晶硅叠层电池,成功实现高效率四端叠层电池的工艺开发。.在项目执行过程中,取得的主要研究成果如下:.(1)窄带隙Pb-Sn钙钛矿薄膜的生长取向研究:为优化底电池厚度及载流子传输性能提供了理论和实验基础;.(2)窄带隙Pb-Sn钙钛矿薄膜的B位同步结晶:为全无机钙钛矿叠层电池的研究拓展了理论和实验支持;.(3)二维钙钛矿薄膜的表面改性研究:通过构建二维/三维异质结结构,显著提升了传统杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性;.(4)宽带隙钙钛矿太阳能电池稳定性增强研究:揭示了空穴传输层与钙钛矿电池退化机制之间的关系,为解决钙钛矿产业化应用中的稳定性难题奠定了基础;.(5)高透减反涂层的开发:增强了钙钛矿太阳能电池在水下的效率及稳定性,进一步拓展了钙钛矿光伏在水下应用的潜力;.(6)大面积均相结构钙钛矿薄膜的规模化制备及性能提升:阐明了均相结构钙钛矿薄膜的生长机制,为实现大面积钙钛矿的产业化提供了关键技术支持,同时对钙钛矿/钙钛矿及钙钛矿/晶硅两端和四端叠层电池的科学研究具有重要意义。.在本项目的支持下,研究团队共发表SCI论文11篇,EI论文1篇,接受子刊论文1篇,申请发明专利4项。其中,影响因子高于10的论文达5篇。此外,指导学生在2024年“挑战杯”四川省大学生创业计划竞赛中荣获铜奖。
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