鈣鈦礦型光吸收材料能帶調控與界面輸運性質預測

《鈣鈦礦型光吸收材料能帶調控與界面輸運性質預測》是依託中國人民大學，由季威擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：鈣鈦礦型光吸收材料能帶調控與界面輸運性質預測
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：季威
• 依託單位：中國人民大學

項目摘要

從2009年至今，鈣鈦礦型太陽能電池異軍突起，其光電轉換效率已經逼近甚至超過20%，加之其造價低廉的優勢，吸引了全世界太陽能電池研究者的目光。然而，在這一顯著進展的背後還存在著一些有待解決的關鍵科學問題。項目凝練出：（1）、鈣鈦礦光吸收材料的能帶性質調控機制與理性設計；（2）、光吸收材料—空穴收集材料界面電子輸運性質這兩個基本科學問題。圍繞上述問題，項目擬從研究CH3NH3Sn1-xPbxI3材料的摻雜濃度和能帶性質的異常現象出發，得到摻雜元素種類和濃度影響能帶性質的幾何和電子結構起源，闡明其相互影響機制和規律；在此基礎上理論預測摻雜（替換）原子的鈣鈦礦型材料的能帶性質，提出幾種有自主特色的鈣鈦礦型光吸收材料，並探索幾種與之匹配的空穴傳輸材料或陽極材料，得到影響載流子（空穴）在材料中尤其是材料界面上傳輸速度的主要因素，提出可能的最佳化選項。相信上述研究有助於實現本重大研究計畫的最終科學目標。

結題摘要

從2009年至今，成本低廉的鈣鈦礦型太陽能電池異軍突起，吸引了全世界太陽能電池研究者的目光。然而，該電池在光照、水分及高溫條件下的不穩定問題阻礙了該類太陽電池的商業進程。項目採用第一性原理計算研究了鈣鈦礦光吸收材料的多種界面的結構、穩定性和電子結構。 具體地，考慮了使用Br、Ag、Cu和Zn等對MAPbI3表面進行替換修飾。計算表明，對應的表面結構都有晶格收縮的趨勢，使得包圍有機分子的八面體整體收縮。同時，不同表面結構仍然保持了Γ-Γ直接帶隙的電子結構，帶隙值都保持在可見光範圍內，保證了一定的光吸收。整體上，該表面修飾方法在保證了電子結構的基礎上，有助於減小有機分子與表面水分子的相互作用，進而有望提高器件長時間工作的穩定性。進一步研究發現，雖然立方相CsPbI3在室溫並非熱力學最穩定相，但其表面的能量較低。因此可以通過調節表面與體相比例，改變立方相的相對穩定性。計算發現納米晶尺寸小於7.8~18 nm；納米線的直徑小於3.0~10 nm；納米片厚度小於1.3~4.8 nm時，立方相具有更好的熱力學穩定性。將I替換為Br後，對應的相變尺寸分別為：14~71.9 nm、9.7~48.3 nm和5.4~24.6 nm。這為實驗得到低溫穩定的立方相CsPbX3提供了理論參考，有望使得立方相成為室溫穩定相。隨後的研究發現，Ti摻雜有可能誘導MAPbI3解離和電子結構的破壞。計算研究了以MAPbI3為例的四方相和立方相的Ti摻雜。計算發現， Ti原子傾向於占據MAPbI3中Pb的位置，導致部分Pb-I鍵斷裂，並伴隨著幾何結構的破壞，還使MAPbI3從半導體變成了金屬。同時，Ti在MAPbI3材料中的擴散勢壘教低，最小值僅0.28eV。 項目在高水平期刊上發表論文24篇，其中19篇項目負責人為通訊作者。發表Nature子刊1篇、PRL 2篇、NANO Letters 2篇、ACS NANO 1篇、Advanced Materials 2篇等8篇高端論文。此外，還支持國產期刊，在Science China和Chinese Physics B上受邀發表論文兩篇。此外，項目執行期參加國內、國際會議並做邀請報告數十次，與國際多個研究組保持著長期合作。參與組織了幾次國際會議和講習班。項目論文入選高被引論文3篇；研究成果2015中國百篇最具影響國際期刊論文。