纳－微米黄铁矿的多维度生长形貌和结构与光伏性能响应机制研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
41172047
项目类别：
面上项目
资助金额：
60.0万
负责人：
黄菲
依托单位：
东北大学
学科分类：
D0203.矿物学(含矿物物理学)
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
黄涛；李光禄；宋丹；赵国军；王梅；高天附；陈琳；郭耀宇；
关键词：
多维度形貌光伏性能结构响应机制纳微米黄铁矿

项目摘要

在前期天然黄铁矿晶须成因及其生长机制研究基础上，综合运用矿物学、化学、物理、晶体学现代理论和方法，研究纳-微米级黄铁矿多维生长条件；测定和表征不同形貌晶体的原子结构、晶胞参数、空间群等参数；系统研究不同维度黄铁矿光吸收强度、禁带宽度和介带特征、电子导型、热稳定性等光伏性能。在此基础上，系统分析不同维度纳-微米黄铁矿生长的物理化学条件，结晶形貌和结构与光伏性能的相互关系。以宏观实验条件－生长形貌－微观结构与光伏性能相关性研究内容为主线，系统考察宏观条件与不同形貌、结构和光伏性能之间的响应规律；从理论上阐释光电子输运过程与微观结构、结晶形貌的关系；获知光电转化形式和过程的本质原因。根据晶体学和光电子学理论原理，揭示晶体生长形貌，晶体各个面族的显露特征，晶体各个面族上光吸收方式，到该矿物光吸收到转化成为电能的科学原理。获得多维度纳－微米黄铁矿生长条件－形貌和结构与其光伏性能的响应机制的理论解释。

结项摘要

黄铁矿是一种极具潜力的太阳能电池材料。考查其生长条件-晶体形貌-内部结构等特征与光伏性能的响应规律，揭示其光电转化机制，可为有效提高光电转化效率提供科学依据。.项目组模拟地质作用过程，分别在干-热、水热和湿-干转化体系中，制备出一维晶须状、棒状和枝状；二维片、板状；三维立方体和八面体等单形晶体，以及多种聚形的黄铁矿晶体。同时获得黄铁矿、白铁矿和磁黄铁矿等共生演化的物理化学条件，奠定了制备纯相黄铁矿的基础。确证了微观尺度下黄铁矿多维度多形貌生长的客观事实，认为多维度多形貌黄铁矿是其结晶生长过程中的阶段性产物，获得了等轴晶系矿物多维度生长的新认识。.综合运用SEM、EPMA、XRD和TEM等手段，系统测定了多形貌黄铁矿的成分、结构和生长取向等。分别建立了天然黄铁矿（11个晶带）和天然白铁矿（11个晶带）的电子衍射谱图，整理出实验合成磁黄铁矿的部分晶带电子衍射谱图，可为快速准确判定纳-微米Fe-S系列矿物结构提供参考。.分别选取天然黄铁矿、不同条件下合成的纳-微米黄铁矿、掺Co，Ni合成的纳-微米黄铁矿和FeS2-Fe1-xS共存异质结构共生体为样本，进行光吸收性能的系统研究，结果显示：所选天然黄铁矿的禁带宽度0.64eV，理想转换效率接近14%；合成的纳-微米黄铁矿的禁带宽度0.6~0.7eV，光电转化效率12~14%；掺Co，Ni合成的纳-微米黄铁矿，随着Co，Ni掺量增加，出现明显增加趋势；共存异质结构共生体的转化效率与纯相黄铁矿基本一致。.分别选取黄铁矿的天然单晶、天然多晶和合成的纳-微米晶体，进行热电性的系统研究。结果显示：天然单晶的热电系数与晶体结晶取向有关。同一晶体上，面心热电系数最大，棱心和顶点的热电系数比较接近。天然多晶晶格内部有类质同象取代，为n型。在320~420℃合成的纳-微米晶体为P型；其在320～360℃之间热电系数均值升高，在360～420℃之间降低，在360℃热电系数最大。.综合分析纳-微米黄铁矿的结晶程度、颗粒大小、缺陷类型和分布、空穴类型、裸露晶面等与光吸收系数和热电系数的相关性，可以看出纳-微米黄铁矿的生成温度，晶粒尺寸大小，S/Fe比值，不同Co、Ni掺量，晶体缺陷，共存异质结构，以及晶面变化情况等特征参数对其光吸收强度、禁带宽度和电子导型等产生综合影响，在此基础上进一步优化，有望进一步提高黄铁矿的光电转化效率。