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30340;效率提高,其最终的应用几乎都需要实现大面积电池的制备.所以,从长远来看,大面积钙钛矿电池的开发不会局限于当下钙钛矿电池所使用的材料和结构.随着钙钛矿电池新技术,新材料,新理念的出现,都可以尝试其在大面积电池上的应用,从而检验其在最终实际应用中是否可行,或者通过优化实现其大面积应用.

另外一个需要考虑的方面是采用哪种钙钛矿太阳能电池结构.不同于其他的有机太阳能电池,基于钙钛矿作为吸光层的有机-无机太阳能电池,可以采用和硅太阳电池(或者薄膜太阳能电池)一样的平面型的结构,就可以实现很高的效率.这种结构相对简单,可以简化生产步骤,便于大规模生产.这是因为钙钛矿材料较其他的有机太阳能电池材料,具有良好电子,空穴传输性能,CH3NH3PbI3-xClx的电子的扩散长度已经被实验证明可以达到1μm,,所以无需采用有机太阳能电池的介孔结构或其他复杂的纳米结构.采用平面型结构的另外一方面意义在于,平面型钙钛矿太阳能电池的相关膜层制备,可以尝试使用硅太阳能电池(或者薄膜太阳能电池)的镀膜设备,或者对其作适当改进就可应用于钙钛矿电池的生产,免去新设备的研制.

平面型钙钛矿电池的一个非常有潜力的应用是和技术相对成熟的硅太阳能电池(或者薄膜太阳能电池)串联在一起,形成新型的高效叠层太阳能电池.在无需开发新能带宽度的钙钛矿材料下,目前的广泛使用CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿材料,已经可以作为理想的硅太阳能电池(或其他薄膜太阳能电池)的上层电池.牛津大学的Snaith教授估计,只需在目前已经实现的高效硅太阳电池(例如效率为24.5%)上叠加一层钙钛矿电池,其理论效率就可以提高到29.6%.相比多层高效钙钛矿电池的开发,硅/钙钛矿叠层太阳能电池对技术要求相对较低,重点的工作是如何优化两电池的串联整合.澳大利亚的几所大学(澳大利亚国立大学,新南威尔士大学和莫纳什大学)已经开始合作这方面的研究.而无论如何,这一应用的前提是大面积平面型钙钛矿电池的成功开发.

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研究方法和可行性:

综合已近发表的论文,发现钙钛矿电池的诸多研究方向都处于初期阶段.基于太阳能电池应用最关心的两个物理机理(钙钛矿材料的吸光机理和载流子产生,传输,复合机理)还不确定.在电池的结构,材料方面的实验也不能有明确的理论指导,需要在实验室进行大胆的尝试,一些非常好的实验结果,还不能够通过完善的理论知识来解释.

基于上述的情况,本课题的具体操作可以采用实验和机理表征并行的研究方法.通过对发表论文的研读,发现钙钛矿电池的制备对实验设备的要求并不太高,一般的有机太阳能电池实验室基本可以满足,这也是为什么很多实验室非常短时间内,就可以达到非常高的效率的原因.相反,钙钛矿太阳能电池的制备工艺,环境条件(湿度,膜层退火温度,时间,气体环境)对钙钛矿电池的效率有非常大的影响,这也是本课题在实验方面的潜在重点.

在实验方面,中科院大连化学物理研究所太阳能部已经开始了在钙钛矿电池方面的研究,有非常完备的实验条件,可以满足本课题所需的实验条件.在光电材料物理机理探测方面,大连化物所有非常坚实的基础,实验室也配备超快时间分辨光谱设备,可以在微观上研究光生载流子的激发,传输,复合规律,从而指导高效,稳定钙钛矿太阳能电池的研制.

目前提出的具体研究内容包括:

基于目前的钙钛矿太阳能电池制备方法,分析制约大面积钙钛矿电池制备的因素,

其可能的原因有不利的膜层表面/界面效应:于高品质的晶体硅材料相比,钙钛矿材料目前是通过溶液法,或者气相沉积的方法(也有两种混合的方法)制备,导致其结构中存在大量无序的结构缺陷,引发载流子的表面/界面俘获与复合,从而限制光生载流子的收集效率.在大面积生产中,这种负面的表面/界面效应可能变得更加突出.针对这一假设,需要使用飞秒/皮秒时间分辨光谱技术,深入研究结构缺陷,表面/界面对于钙钛矿电池中光生载流子产生,传输,收集和复合等不同机理的影响.

除此之外,溶液法和气相沉积法可能引起大面积膜层的不连续,从而导致电池短路,破坏整个电池的工作方式.在这一方面,需要针对大面积钙钛矿电池的情况,对其膜层形貌作特征描述,从而具体优化钙钛矿电池薄膜的制备方法.

大面积钙钛矿材料成膜工艺的开发以及薄膜形貌的调控

研究已经发现,钙钛矿材料的结晶形貌对其光电性能的影响至关重要,可以尝试开发新的大面积钙钛矿膜层生长工艺,研究大面积钙钛矿薄膜材料的成膜条件,最终实现对其微观形貌的调控,为大面积钙钛矿太阳能电池的制备提供条件.在众多钙钛矿成膜方法中,气相沉积法最接近目前薄膜太阳能电池的生产方法.虽然,这种方法需要使用高真空的气相蒸发镀膜设备,但是其更容易产生的性质分布均匀的钙钛矿薄膜.通过添加其他蒸发材料,可以实现对膜层进行掺杂,成分进行调控.极有可能用于高效,大面积钙钛矿太阳能电池的制备.

研究大面积空穴传输层,电子传输层,和透明电极材料的选择及制备工艺,

可以预期当电池面积扩大后,钙钛矿太阳能电池的所有相关膜层的制备工艺会发生改变.所以,也需要对这些膜层的成膜工艺进行优化,甚至简化.因为目前实验室钙钛矿电池广泛使用的空穴传输层是有机材料Spiro-OMeTAD,其价格非常昂贵.有效,稳定,廉价的空穴/电子传输层的研发吸引了很多科研工作者的注意,并且陆续有新材料的报道.也有科研工作者尝试研发无空穴传输层的钙钛矿电池,并且取得了很好效率.这些已经报道的结果,是否可以应用在大面积钙钛矿电池上,也需要进行研究.

总结

虽然上面提出了一些针对大面积异质结平面型钙钛矿太阳能电池的研究计划,但是在具体的实验环节,相信会遇到很多出人预料的结果和现象.而且,在两年的博士后研究中也许只能在其中的某个方面进行深入的研究.不管怎样,能够在这个新兴的太阳能电池领域做一点有意义的工作也令我非常的向往.

本人承诺本人承诺:申请表所填内容均真实可靠.对因虚报,伪造等行为引起的后果及法律责任均由本人承担.

以上所填内容由梁文升填写,内容属实.

本人签字:2016年11月14日

博士后合作导师考核推荐表

对申请人学术水平,科研能力等方面的考核意见:

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