钙钛矿太阳能电池非规则界面载流子输运扩散机理研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51772038
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0205.无机非金属基复合材料
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

For all-solid-state planar organic-inorganic hybrid CH3NH3PbI3 solar cell, the typical structure consisted of ITO anode layer, TiO2 electron transfer layer (ETL), CH3NH3PbI3 layer, spiro-OMeTAD hole transfer layer (HTL), metal cathode layer. The interface between TiO2 ETL and CH3NH3PbI3 layer, as well as CH3NH3PbI3 layer and spiro-OMeTAD HTL was asymmetrical and irregular in crystal structure, geometry, electronic structure, and the other physicochemical property. It is easy for CH3+/NH2+/I- ion to diffuse into ETL and HTL, which could influence the physicochemical property of interface seriously. More important, the diffusion of above ion could result in the change of potential barrier of irregular interface. So it is important to research the diffusion mechanism of CH3+/NH2+/I- ion at irregular interface, as well as the carrier transport mechanism at irregular interface, both for fundamental research and practical application. In the project, CH4/NH3/I ion beam with low energy is used to react with the surface of ITO, TiO2, spiro-OMeTAD, CuI, and Al2O3 films, by which the diffusion of ions in films could be simulated. TEM and EELS techniques are used to study the diffusion of CH3+/NH2+/I- ion at amorphous, grain boundary, and grain. KFM and C-AFM techniques are used to study the influence of CH3+/NH2+/I- ion diffusion on the electro-optical property along the normal direction of surface. The diffuse-transmission model and ballistics-diffuse model are used to calculate the CH3+/NH2+/I- ion diffusion and carrier transport mechanism at irregular interface, amorphous parts, grain boundary, and grain. Based on the results of TEM, EELS, KFM, and C-AFM, set the diffuse-transmission model as the necessary supplement of ballistics-diffuse model, and the boundary conditions could be self-consistent and chimed each other. Through the project, the diffusion mechanism of CH3+/NH2+/I- ion at irregular interface, as well as the carrier transport mechanism at irregular interface, could be deduced by the analysis of experiment result and theory model.
全固态平板型有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3类太阳能电池结构中存在多种非规则界面结构,因此,载流子在非规则界面处的输运扩散问题,成为该领域研究热点。本项目利用低能CH4/NH3/I离子束与不同功能层表面相互作用,模拟CH3+/NH2+/I-离子基团在不同功能薄膜表面的扩散过程;利用TEM/EELS分析CH3+/NH2+/I-离子基团在不同晶面方向的扩散;利用KFM和C-AFM分析CH3+/NH2+/I-离子基团的扩散对非规则界面处界面势垒及光电性能的影响规律;以扩散-透射理论模型和弹道-扩散理论模型分别模拟CH3+/NH2+/I-离子基团在非规则界面处及在不同晶面方向的扩散,根据XPS/EELS/KFM/C-AFM结果,确定两种模型各自的边界条件,并以扩散-透射理论模型对弹道-扩散理论模型进行必要补充,最终在实验和理论两方面揭示载流子在钙钛矿太阳能电池非规则界面处的扩散机理。

结项摘要

平面异质结结构的有机无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池具有制备工艺简单、光电转换效率高等优点。但是,其电子传输层制备工艺中一般含高温退火工艺,这严重增加了制备成本,也抑制了钙钛矿太阳能电池在柔性基底上的应用。因此,开发电子传输层全室温制备工艺显得非常重要。本项目中,以传统的甲氨铅碘(CH3NH3PbI3, MAPbI3)为光电转换材料,利用直流脉冲磁控溅射方法在室温条件下制备TiO2电子传输层,并制备MAPbI3钙钛矿太阳能电池器件。作为参比对象,利用传统的溶胶凝胶方法制备TiO2电子传输层及MAPbI3钙钛矿太阳能电池器件。研究结果表明,利用直流脉冲磁控溅射方法制备TiO2电子传输层,在非退火条件下,直接进行MAPbI3太阳能电池器件制备,实现16.1%的光电转换效率和14.9%的迟滞系数;而相同条件下溶胶凝胶500℃退火制备的MAPbI3太阳能电池器件,其光电转换显效率仅为13.4%,迟滞系数高达38.5%。相比较于溶胶凝胶TiO2电子传输层器件20.08 mA/cm2 的电路电流,直流脉冲磁控溅射TiO2电子传输层器件的短路电流可提升至20.08 mA/cm2。直流脉冲磁控溅射TiO2电子传输层的表面电势为(4.81±0.04) eV,溶胶凝胶TiO2电子传输层的表面电势为(4.66±0.01) eV,因此直流脉冲磁控溅射TiO2电子传输层的导带底低于溶胶凝胶TiO2电子传输层,这有利于光生载流子向直流脉冲磁控溅射TiO2电子传输层进行输运。直流脉冲磁控溅射TiO2电子传输层的R_s^EIS值仅为35.95 Ω•cm2,而溶胶凝胶TiO2电子传输层的R_s^EIS值达到55.45 Ω•cm2。 根据上述研究结果,建立光生载流子在直流脉冲磁控溅射TiO2电子传输层和溶胶凝胶TiO2电子传输层中的输运模型。就直流脉冲磁控溅射TiO2电子传输层而言,由于导带底位置低于溶胶凝胶TiO2电子传输层,因此有利于光生载流子向电子传输层注入;同时,沿截面方向的链状纳米晶结构,可有效提高光生载流子沿最短输运路径输运至导电电极的概率,因此基于直流脉冲磁控溅射TiO2电子传输层的MAPbI3太阳能电池器件服役性能优于基于溶胶凝胶TiO2电子传输层的MAPbI3太阳能电池器件。最终在实验和理论两方面揭示载流子在钙钛矿太阳能电池电子传输层表界面处的扩散输运机理。

项目成果

期刊论文数量(26)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
A simple route to prepare (100) preferred orientation indium tin oxide film onto polyimide substrate by direct current pulsed magnetron sputtering
直流脉冲磁控溅射在聚酰亚胺基底上制备(100)择优取向氧化铟锡薄膜的简单路线
  • DOI:
    10.1016/j.matchemphys.2018.01.036
  • 发表时间:
    2018-04
  • 期刊:
    Materials Chemistry and Physics
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    Wanyu Ding
基于团簇加连接原子模型定量分析阳离子掺杂ZnO电子载流子浓度
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    表面技术
  • 影响因子:
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  • 作者:
    李军;刘浩;张鑫;王全;王华林;张爽;丁万昱
  • 通讯作者:
    丁万昱
Dependence of the physical properties of Sn-S film prepared by sol-gel spin-coating method on annealing temperature
溶胶-凝胶旋涂法制备的Sn-S薄膜物理性能对退火温度的依赖性
  • DOI:
    10.1088/2053-1591/ab5ed4
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Materials Research Express
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Zhai Xiao-Na;Liu Chao-Qian;Wang Nan;Lun Ting-Ting;Song Meng-Si;Ge Qing;Zhang Xiao-Yang;Wu Su-Mei;Zhao Yu;Liu Shi-Min;Wang Hua-Lin;Jiang Wei-Wei;Ding Wan-Yu
  • 通讯作者:
    Ding Wan-Yu
The formation mechanism of (001) preferred orientation for anatase TiO2 film prepared by DC pulsed magnetron sputtering
直流脉冲磁控溅射锐钛矿型TiO2薄膜(001)择优取向的形成机理
  • DOI:
    10.1016/j.vacuum.2021.110287
  • 发表时间:
    2021-05
  • 期刊:
    Vacuum
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Yi Zhang;Zhihui Liu;Xin Zhang;Qizhen Wang;Quan Wang;Hualin Wang;Weiwei Jiang;Shimin Liu;Chaoqian Liu;Nan Wang;Yunian Cui;Yanping Ma;Wanyu Ding;Jindong Liu
  • 通讯作者:
    Jindong Liu
Preparation and characterization of TiO2 nanoparticles by two different precipitation methods
两种不同沉淀方法制备TiO2纳米颗粒并表征
  • DOI:
    10.1016/j.ceramint.2020.03.075
  • 发表时间:
    2020-07
  • 期刊:
    Ceramics International
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Wang Zhinuo;Liu Shimin;Cao Xin;Wu Sumei;Liu Chaoqian;Li Gang;Jiang Weiwei;Wang Hualin;Wang Nan;Ding Wanyu
  • 通讯作者:
    Ding Wanyu

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其他文献

氧化物玻璃中的类分子结构单元
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 作者:
    万法琦;马艳平;董丹丹;丁万昱;姜宏;董闯;贺建雄
  • 通讯作者:
    贺建雄
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室温直流磁控溅射沉积TiO2薄膜的纳米晶结构
  • DOI:
    10.1142/s0217984914502169
  • 发表时间:
    2014-10
  • 期刊:
    Modern Physics Letters B
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    Jindong Liu;丁万昱;Hualin Wang;Shimin Liu;Weiwei Jiang;Chaoqian Liu;Nan Wang;Weipin Chai
  • 通讯作者:
    Weipin Chai
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  • 发表时间:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    Journal of Chemical Physics
  • 影响因子:
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  • 作者:
    丁万昱;Li Li;Lina Zhang;Dongying Ju;Shou Peng;Weiping Chai
  • 通讯作者:
    Weiping Chai
瞬态切削用智能测温刀具的研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    崔云先;张博文;丁万昱;阎长罡;刘义
  • 通讯作者:
    刘义

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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