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更新时间:2024-01-29 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:7809 浏览:31568

中国科学院大连化学物理研究所

优秀博士后奖励基金申请表

申请人:梁文升

研究组:503组

学科专业:物理化学

合作导师:李灿院士

填表日期:2016年11月10日

中国科学院大连化学物理研究所制

姓名梁文升性别男出生日期1985年1月4日民族汉学历/学位博士专业技术职务毕业院校AustralianNationalUniversity专业太阳能电池(拟)入站时间2016.3入站性质√统招统分□在职人员E-Mailvincent.liang2016@gmail.联系

学习简历

起止年月所在单位/专业所获学位2016,10-2016.10澳大利亚国立大学/太阳能电池博士2016.9-2016.7东北大学/流体机械及工程硕士2004.9-2016.7东北大学/过程装备与控制工程学士工作经历起止年月所在单位职务博士

学位

论文

摘 要

博士论文题目基于光伏应用的原子层沉积Al2O3薄膜特性研究

PropertiesofAl2O3FilmsDepositedbyAtomicLayerDepositionforPhotovoltaicApplications指导教师姓名A/Prof.KlausWeber随着硅太阳能电池厚度的减小,电池效率越来越被表面钝化的优劣程度所限制.很多研究已经表明当前主要使用的p型硅电池材料会逐渐被n型材料所代替,从而寻求一种可以应用于高效n型硅太阳电池的表面钝化材料显的尤为重要,Al2O3膜层已经展现了这一方面的应用潜能.

首先,应用"自校准"光导测试方法,论文研究了横向载流子生命周期不均匀分布对于生命周期测试结果的影响.通过理论模拟发现,这种情况下,测试的载流子的生命周期会被高估.横向载流子分布越不均匀,其高估的程度就越大.这一结论,也得到了实验结果的验证.

基于单层ALDAl2O3表面钝化的应用,我们优化了膜层生长参数,退火条件.20nmAl2O3薄膜可以提供非常好的表面钝化效果.论文集中研究了Al2O3薄膜在不同硅表面晶向,不同表面掺杂情况下的钝化性能.我们发现,轻微的表面掺杂可以有效抑制Al2O3/Si界面的载流子复合.对比(111)硅表面,Al2O3在(100)硅表面提供更好的钝化性能,我们发现,这是因为Al2O3薄膜在(100)硅上含有更多的固定电荷.

为了弥补ALDAl2O3低生长速率的缺点,通过覆盖SiNx:H膜层在1nmAl2O3上,我们得到了稳定的,非常好的表面钝化结果.实验发现,Al2O3/SiNx:H结的钝化性能决定于SiNx:H覆盖层的化学组成.我们发现氢含量低于8×1021cm-3的SiNx:H更能够帮助超薄Al2O3达到良好的钝化效果.而且,Al2O3/Si的界面陷阱,固定电荷浓度都受到SiNx:H覆盖层组成的影响.高的固定电荷浓度和低的界面陷阱耦合是达到良好钝化效果的条件.

最后,我们研究了潮湿环境对于Al2O3表面钝化性能的影响.实验发现,和85%湿度环境相比,饱和湿度(~100%)显着增加了Al2O3表面钝化的退化速度.同时,饱和湿度环境也降低了Al2O3薄膜的电阻值,从而损坏了太阳能电池的工作性能.我们提出了基于潮湿环境Al2O3钝化性能退化的两个机理:1)较短时间潮湿环境暴露后的"初始可逆退化",主要归因于界面固定电荷浓度的减小,(2)长时间潮湿环境暴露后的"不可逆退化",其归因于界面陷阱浓度的激增.这是因为Al2O3和H2O的长时间缓慢反应,引发膜层化学组成变化.其中,第二种机制只有在饱和湿度环境中才会发生.

入站前期科研情况简介1,主持或参与项目情况:序号项目名称项目来源项目金额起止年度角色//2,论文发表情况(投稿中及待发表文章请注明):序号论文题目期刊名影响因子发表年度排序1EffectiveSiNx:Hcappinglayerson1nmAl2O3forp+surfacepassivation

IEEEJournalofPhotovoltaics

3.0201612Effectofdamp-heatexposureonthedegradationofplaaasistedALDAl2O3basedontheapplicationonsolarcellsPhysicaStatusSolidi:ApplicationsandMaterialsScience1.5201613SurfacePassivationofBoron-Diffusedp-typeSiliconSurfacesWith(100)and(111)OrientationsbyALDAl2O3Layers

IEEEJournalofPhotovoltaics

3.0201614ImpactofLaterallyNon-uniformCarrierLifetimeonPhotoconductance-basedLifetimeMeasurementswithSelf-consistentCalibration,ProgressinPhotovoltaics:ResearchandApplications9.7201615EmitterSaturationCurrentDensitiesDeterminedbySelf-consistentCalibration:ImpactofLaterallyNon-uniformLifetimeDistributiononCalibrationAccuracyEnergyProcedia

/201616Siliconsurfacepassivationbyatomic-layer-depositedAl2O3facilitatedinsitubythebinationofH2OandO3asreactantsIEEEElectronDeviceLetters

3.0201627ElectricalPropertiesofAtomicLayerDepositedAl2O3withAnnealTemperatureforSurfacePassivationThinSolidFilms

1.9201628TradeoffsbetweenImpurityGettering,BulkDegradation,andSurfacePassivationofBoron-RichLayersonSiliconSolarCellsIEEEJournalofPhotovoltaics

3.0201623,专利情况:序号专利名称授权/申请授权/申请号起始日期排序1蒸汽流真空泵性能自动测量系统及测量方法授权201610012545.3201622一种使用光纤式光电液位开关测量液位的方法及其装置,专利授权201610011361.5201624,获奖情况:序号奖励名称奖励等级授奖单位奖励年度排序1辽宁省普通高等学校优秀毕业生/辽宁省教育厅201612辽宁省优秀硕士学位论文/辽宁省教育厅201613东北大学优秀毕业生(硕士)/东北大学201614东北大学优秀毕业生(本科)/东北大学201615沈阳市优秀大学生/沈阳市委教科委200716沈阳机床集团立志奖学金一等东北大学20161

博士后工作的研究计划

博士后研究题目:大面积平面型异质结钙钛矿太阳能电池的研制和性能表征(简述研究计划的可行性,先进性和创新性,理论和现实意义)

背景:

钙钛矿太阳能电池是近3年来备受瞩目的一种新型太阳能电池,其背后的原因是经过进一步的研究开发,钙钛矿太阳能电池有潜力综合实现高电池效率,低成本,高生产效率和低能耗的目标,从而巨大的促进可持续太阳能资源的应用.在过去短短的3年时间内,Science和Nature期刊在这一领域刊登的论文数目已经超过30篇.基于钙钛矿太阳能电池的研究也已近在世界各地展开,但其各个研究方向还都处于雏形阶段,其中蕴含有很多非常有意思的,而且有意义的方向值得深入研究和探索.

先进性和现实意义:

到目前为止,绝大部分报道的高效钙钛矿太阳能电池都局限于小面积制备(大约在0.3cm2),面积扩大会导致电池转化效率的迅速下降,而相比较市场上主流的硅太阳能电池(其电池面积一般在240cm2,实验室的研究电池面积一般为4cm2),钙钛矿电池的最终市场化必然会受到其"小面积"的限制.

目前基于钙钛矿太阳能电池的研究主要集中于电池效率的提升,电池结构的探索,吸光层(钙钛矿),电子传输层,空穴传输层材料的更新和优化,以及钙钛矿材料制备工艺开发,也有论文开始涉及钙钛矿材料/电池机理研究和特性描述.但是,在电池的实用化方面的研究还比较少.其中的一个方向是:从钙钛矿电池的实际应用角度来考虑,实现大面积钙钛矿太阳能电池是非常有意义的.

基于任何技术的钙钛矿太阳能电池的效率提高,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,CH3NHbI3-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CH3NHbI3-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.


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.针对这一检测设,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:

对申请人提出的研究计划的评价(如可行性,先进性,创新之处,理论和实用意义):

推荐意见(是否同意推荐申请优秀博士后奖励基金):

合作导师签字年月日

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