離子液體輔助製備高質量鈣鈦礦薄膜及其光伏性能研究

《離子液體輔助製備高質量鈣鈦礦薄膜及其光伏性能研究》是依託東北師範大學，由王瑩琳擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：離子液體輔助製備高質量鈣鈦礦薄膜及其光伏性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王瑩琳
• 依託單位：東北師範大學

項目摘要

製備結構規整、覆蓋度及結晶性優異的高質量鈣鈦礦薄膜是實現鈣鈦礦太陽能電池效率提升的重要課題。以“兩步法”製備CH3NH3PbI3鈣鈦礦需經過前驅體PbI2薄膜製備、界面化學轉化和晶粒生長階段。這三個階段相互關聯，且協同起效。針對這一特性，本項目利用離子液體削弱PbI2層間范德華相互作用，並為結晶生長引入液相微區，提出以離子液體單一添加劑分別調控以上三個階段，從而獲得高質量鈣鈦礦薄膜的方法。首先，利用理論模擬及多種結構、光、電探測手段，揭示離子液體和PbI2的作用原理，及其對界面化學轉化和晶粒生長的動力學調控機制。其次，闡明離子液體分子結構、特徵物性、添加條件與鈣鈦礦薄膜質量間的關係。此外，研究離子液體對鈣鈦礦太陽能電池光伏性能及多時域（fs-ms）載流子相關過程的影響。最後，總結簡單有效的高質量鈣鈦礦薄膜製備方案，為鈣鈦礦材料在太陽能電池及其他光電器件中的套用提供科學指導。

結題摘要

本項目聚焦套用於光伏器件的高質量光吸收層的可控制備，通過深入探究光吸收薄膜的結構規整度、覆蓋度、結晶性、摻雜及缺陷狀態的變化規律，以破解太陽能電池中光吸收、載流子輸運和複合三者間難以平衡的問題。項目從材料製備、界面調控和器件工藝等多個角度展開研究。系統考察了包括鈣鈦礦和量子點在內的光吸收材料性質對多種添加劑材料（離子液體、乙酸鹽、金屬鹵化物等）的依賴性；深入探究了三維異質結器件結構對光吸收層的影響，並針對其建立了可控的三維異質結光伏器件製備及最佳化方法；在此基礎上進一步開展抗彎折、柔性三維異質結器件和柔性電極材料的研究工作。取得了如下重要結果：（1）利用離子液體單一添加劑分別調控“兩步法”製備CH3NH3PbI3鈣鈦礦中前驅體PbI2薄膜製備、界面化學轉化和晶粒生長三個階段，從而獲得高質量鈣鈦礦薄膜。證實離子液體可與甲銨基形成氫鍵弱相互作用，從而提升鈣鈦礦薄膜熱穩定性。最終獲得光電轉換效率15.7%的鈣鈦礦太陽能電池。（2）利用乙酸鹽和金屬鹵化物在量子點相轉移過程中實現對其表面配體、表面缺陷和摻雜程度的共同最佳化，從而獲得光電轉換效率＞10%，空氣穩定性＞6個月的無封裝量子點太陽能電池。（3）針對三維異質結太陽能電池中結構缺陷較多的問題，我們通過模板法實現了三維ZnO電子傳輸層的結構可控調節，並利用簡單的壓力後處理方法增加光吸收層緻密度，減少電子傳輸層/光吸收層界面結構缺陷。（4）首次獲得了三維異質結構的柔性ZnO/PbS量子點太陽能電池，利用ZnO納米線陣列的彎折應力釋放作用大幅度提升PbS量子點太陽能電池的抗彎折性，使該柔性電池在160o彎折角度下機械彎折100次，功率轉換效率仍能保持原來的93%。本項目研究結果對於深刻理解高質量光吸收層製備過程中的物理、化學原理具有重要的參考價值，為研發基於鈣鈦礦和量子點的光電器件提供了科學依據和技術基礎。