窄禁带氧化物钙钛矿太阳电池研究

Significant process was made in the research of perovskite solar cells, in just four years to catch up with other types of solar cells for decades milestones. Hence, in this project the KBNNO perovskite thin film solar cells would be researched due to it has strong electric field of spontaneous polarization, narrow band gap (i.e. 1.39 eV), the excellence of high transition efficiency (33%), stable operation quality and environmentally friendly. The fabrication of high quality KBNNO thin film will be systematic studied especially in the research of preparation of single crystal thin film and the breakthroughs in key technologies for the preparation of atomic length scales KBNNO thin films used laser molecular beam epitaxial process. Similarly, the low-cost sol-gel process for the preparation of KBNNO thin films will be explored. Some basic science issues also will be studied like the relationship of the structure of electric domain, orientation of electric domain, photoelectric and electric current; new effect of open circuit voltage without optical absorption band gap limiting. The KBNNO thin film solar cells will be developed and to lay the foundation for perovskite solar cell applications.

钙钛矿太阳电池的研究取得了重大进展，仅仅用了4年时间就赶上其它类型太阳电池数十年的发展里程。为此，本项目研究具有强的自发极化内电场、窄的禁带宽度1.39eV、高的转换效率33%和性能稳定、环境友好的固溶体铌酸钾-镍铌酸钡(KBNNO)薄膜钙钛矿太阳电池。集中和系统研究高质量KBNNO薄膜的制备，特别是单晶薄膜的制备规律和实现在原子层尺度上可控的、可重复的KBNNO薄膜的激光分子束外延制备关键技术的突破，以及探索研究低成本溶胶-凝胶法KBNNO薄膜制备技术；研究极化材料的电畴结构、取向等与光电压、光电流的关系，及其开路电压不受光吸收带隙限制的新效应等基础科学问题；研制KBNNO薄膜原型单元钙钛矿太阳电池。为钙钛矿太阳电池应用提供基础。

成功运用脉冲激光沉积法（L-MBE）外延生长[KNbO3]1-x[BaNi1/2Nb1/2O3-]x (KBNNO)薄膜，优化工艺参数，获得有效避免钾的缺陷技术，将衬底与羽轴呈约11°倾斜放置，获得单相钙钛矿结构KBNNO薄膜。在此基础上，在B位引入Fe、Nb，成功制备出了KBFNO新材料和BFNO单晶外延薄膜；用L-MBE的方法制备出单晶BFNO薄膜，带隙为1.37eV，Fe掺杂的KBFNO材料较KBNNO材料具有更好的磁学性质。采用sol-gel技术制备KBNNO薄膜，实现了KBNNO氧化物薄膜在可见光范围的吸收。在KBNNO材料中发现了结构相变，从XRD数据中，发现随着BNNO成分增多，(110)和(001)峰开始逐渐合并为一个单峰(001)，且(220)和(002)合并为(200)峰，在x=0.1之后，正交相转化为了立方相，推断KBNNO晶体经历了一系列相位结构变化，其机理是掺杂Ni2+能够打破Nb-O的杂化轨道从而引起结构相位变化。拉曼光谱分析发现由于结构中B位存在Ni2+，产生了共价键和离子键之间存在竞争，导致结构相变。在KBNNO的光吸收谱中，发现随着BNNO成分增多，样品的带宽吸收边缘出现了一个急剧转变，获得KNO的禁带宽度为3.20eV， KBNNO （x=0.1，0.2，0.3）的带隙分别为1.49eV，1.21eV和1.40eV，带隙变化的机理是KNO的价带和导带分别由O 2p态和Nb 4d态组成，KBNNO的可见光吸收是通过杂化Ni 3d和O 2p态向Nb 4d态的带-带过渡来进行的。研究了具有梯度化学成分和梯度能带，为了避免材料本身电荷补偿带来的氧空位，设计合成了KBCNO材料，直接带隙可在1.30~3.26 eV之间连续可调且在特定组分下实现了铁电磁性共存。发现了KBNNO材料可以同时表现出室温铁电有序和磁有序，并且在一定组分范围内可调，其机理主要归因于引入的Ni/3d轨道。此外，研究了黄锡矿结构的Cu基薄膜的合成机制、组分调控和微结构变化等基础关键性问题，成功的制备出了单结薄膜光伏太阳能电池器件。研究结果和方法被应用于工业制造中的高效太阳电池技术优化，研究并解决了高精密对准SE、无表面损伤RIE制绒等高效太阳能电池技术在规模化生产中的关键性技术问题，使商用规模化多晶硅太阳能电池平均转换效率达到18.65%。