铜铟锡薄膜太阳能电池纳晶的结构与性能调控

铜铟锡薄膜太阳能电池是低成本太阳能电池发展的重要方向之一。其主体材料铜铟锡类化合物纳晶的结构与性能调控对于提高这类薄膜太阳能电池的转换效率及其普及具有十分重要的意义。本项目拟从合成方法学入手，利用纳米结构化技术，发展低成本的合成方法制备高质量铜铟锡纳晶及新型铜铟锡类化合物纳晶与薄膜；研究合成方法及条件与纳晶组成、形态和结构等的关系，分析形成机理，实现纳晶组成与结构的可控制备；进而构筑薄膜太阳能电池，研究材料的组成、形态和结构对其性能的影响，实现结构与性能的调控；并且通过调控材料的结构和新型三维结构化设计并且构建三维互穿网络结构的PN结，以及器件的结构化设计，提高这些材料的光电性能及薄膜太阳能电池的转换效率，探索这些材料的应用前景与规模化制备，获得具有自主知识产权的铜铟锡薄膜太阳能电池关键材料的制备技术。

研究铜铟锡类化合物纳晶的结构与性能调控对于提高这类薄膜太阳能电池的转换效率及其普及具有十分重要的意义。项目组围绕基于铜铟锡类材料的薄膜太阳能电池纳晶的可控合成、结构与性能调控开展工作。发展了多种基于溶液相合成的方法，制备出了多种高质量的铜铟锡类材料的纳晶与薄膜；研究了合成条件对于纳晶组成、形态和结构等的调控，分析了其形成机理，实现了纳晶组成与结构的可控制备，进而研究了这些材料的光电转换性能，为进一步发展基于这类材料的薄膜太阳能电池奠定了基础。在此基础上，发展了元素含量丰富、低成本的新型纳晶的可控制备与调控，并进一步研究了通过三维纳米结构化设计来提高基于这些材料的太阳能电池的性能。取得的重要结果包括：1）制备出结构与形貌可控的Cu2ZnSnSe4纳米晶，研究表明其具有非常优良的光电转换性能；2）发展了基于非肼溶液法制备高质量铜锌锡硫硒薄膜的方法；3）可控制备出系列高质量的Cu2-xSySe1-y纳米晶，实现了对其成分、结构、尺寸和形貌的调控。通过组成的调节实现了对其带隙的调控，同时首次发现可以通过晶体结构的调控来显著调控这类材料的带隙；4）获得了高质量单晶硒化锗纳米片，通过构筑基于单片硒化锗纳米片的器件，首次研究了这类材料各向异性的光电转换性质；5）制备多功能SnSe^SnO2纳米复合纳米片，研究在单一纳米结构基元上实现多功能集成器件的可能；6）发展了通过溶剂诱导的定向聚集途径制备空气中稳定的、纯立方相FeS2微、纳米材料的方法，获得了在空气长期稳定的形貌与尺寸可控的FeS2纳米立方体、类球形纳米晶、纳米晶聚集球、单晶微米球，以及多种单晶微米级多面体材料；7）发展了制备基于单晶SnS纳米结构的三维纳米结构化薄膜的方法；8）设计和构筑了由三维导电氧化铟锡(ITO)纳米线阵列芯层和Cu2S纳米晶壳层组装而成的ITO@Cu2S核壳纳米线阵列结构作为电极材料，通过隧道结的形成、界面的调控与多级结构的组装，实现了高活性纳米晶的高效负载和载流子的输运，有效地降低了载流子的复合，从而获得了高效量子点敏化太阳能电池。项目执行期间，已发表相关SCI收录论文12篇，影响因子大于6.0的论文9篇，其中包括2篇J. Am. Chem. Soc.，2篇Nano Lett.，1篇Adv. Mater.，1篇NPG Asia Mater.等。申请中国发明专利 2项。