碳电极钙钛矿光伏器件制备与集成技术

作者简介

史铁林（Shi Tielin，Professor），1964年1月出生，中共党员，博士，教授，博士生导师，教育部长江特聘教授，曾任机械学院党委书记。1985年本科、1988年硕士毕业于西安交通大学，1991年博士毕业于华中理工大学，1993年博士后出站，进入华中科技大学（原华中理工大学）工作。现任中国振动工程学会常务理事，中国振动工程学会动态信号分析专业委员会主任委员，中国振动工程学会故障诊断专业委员会副主任委员，中国微米纳米技术学会理事，《Frontiers of Mechanical Engineering》副主编、《机械工程学报》、《振动工程学报》、《中国机械工程》、《中国工程机械学报》、《振动与冲击》、《振动测试与诊断》等杂志编委。先后获国家教委科技进步二等奖（应用类），国家教委科技进步一等奖（理论类），机械工业部科技进步一等奖，国家科技进步三等奖，中国青年科技奖，全国优秀博士后、湖北省五四青年奖章、中国机械工程学会杰出青年科技奖、首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选等荣誉称号等。

内容简介

自20世纪以来，以半导体为基础的光电子器件（如太阳能电池、光电探测器、发光二极管及半导体激光器等）的开发与应用引发了新一轮产业革命，也极大地改变了人们的生产和生活方式。随着社会经济的迅速发展和人们生活水平的不断提高，人们对半导体光电子器件的需求日益多样化。目前，商用光电子器件广泛使用的晶硅（Si）、碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）等传统半导体材料通常由高温电炉反应、分子束外延或有机金属化学气相沉积等复杂工艺制成，这些工艺对半导体薄膜纯度和生产设备要求极高，能耗和生产成本也居高不下。此外，高温工艺还限制了传统光电子器件的柔性化制备和在柔性可穿戴电子产品中的应用。因此，开发低成本、易低温制备和高性能新型半导体材料对光电子器件的发展具有重要意义。 2009年，有机无机金属杂化钙钛矿用作光吸收材料被应用到光伏器件中，展现出优异的光学与电学性能，拉开了钙钛矿光伏器件研究的序幕。一般来说，把和CaTiO3构型相同的晶体叫作钙钛矿，其结构通式为ABX3。对于有机无机杂化钙钛矿来说，A位一般是有机阳离子（CH3NH+3或NH2CHNH+2），B位是金属离子（Pb2+、Sn2+、Eu2+等），X位则通常是卤素阴离子（I-、Br-等）。得益于钙钛矿半导体出色的光电特性（包括光吸收系数和缺陷容忍度高、激子结合能与表面复合率低、载流子传输距离和载流子寿命长、双极性载流子传输与禁带可调等）及材料改性、缺陷钝化、界面工程及溶剂工程等技术的不断进步，短短数年，杂化钙钛矿太阳能电池的认证光电转化效率从最初的3.8%提高至25.7%，超过了商业化多晶硅太阳能电池以及铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉薄膜太阳能电池效率，正逐接近单晶硅太阳能电池效率并有望达到硅基的ShockleyQueisser理论极限，而且其原材料用量仅为晶硅的1/1000，成本不到晶硅组件的50%，是一种颠覆性很强的新型光伏材料，给人类应对能源危机提供了新机遇。随着2030年前实现碳达峰和2060年前实现碳中和这双重目标的构建，世界能源多元化、清洁化、低碳化趋势进一步加强，能源和资源版图正在发生深刻变化，越来越多的国家都在朝着清洁、低碳能源的方向发展。《2022中国战略性新兴产业发展报告》将钙钛矿太阳能电池技术列为能源新技术产业发展的关键技术与重点任务。《中国工程科技2035发展战略》指出，钙钛矿太阳能电池的基础研究与产业化关键技术研发是可再生能源工程科技发展的重要任务。钙钛矿半导体材料在光伏器件领域取得的巨大成功，再加上钙钛矿薄膜易于低温制备（如旋涂、刮涂、滴涂与喷墨打印等）的特点，极大地鼓舞了研究者们将这种“梦幻材料”应用到其他各类型光电子器件的研发中，并已经取得了一系列成果。十几年来，钙钛矿光电子器件方面的研究不断取得进展，100余篇高水平论文发表于国际一流学术刊物Science和Nature，并被Science期刊评为2013年度十大科学进展之一，这也充分体现了钙钛矿光电子器件的研究热度和该领域的前沿性。引入碳电极后，钙钛矿光伏器件制造成本进一步大幅降低，器件的稳定性大大提高，使碳电极钙钛矿器件成为具有广阔发展前景的光伏技术之一。然而，器件在制造过程中涉及多种光电材料的宏微纳跨尺度结构的精确形成与功能界面优化，材料相变、晶化等行为复杂，功能结构本征缺陷密度高，界面能级失配严重，光生载流子输运受阻，且环境因素（湿、热、光等）仍会对钙钛矿材料造成不可逆的损伤等问题，这些问题严重制约了器件效率和稳定性的提升，急需突破。 本书内容是作者所在课题组在教育部创新团队“微纳制造与纳米测量技术”、国家重点研发计划“高效稳定大面积钙钛矿太阳电池关键技术及成套技术研发”、国家自然科学基金“基于钙钛矿的高效微能源器件可控制备研究”“仿生微纳制造与应用研究”“染料敏化太阳能电池光阳极结构的仿生设计与可控制备”“面向图像传感的超高速自驱动柔性钙钛矿光电探测器可控制备研究”等项目支持下的研究成果结晶。