基于type-Ⅱ核壳量子点双功能化修饰的全无机钙钛矿太阳能电池的构建及性能研究

Inorganic perovskite with high bromine content, such as CsPbIBr2 and CsPbBr3, has excellent photothermal stability. Therefore, it shows great application prospect in building stable and efficient perovskite solar cells. However, its wide band gap and the large energy loss at the interface of the device seriously restrict the improvement of the device performance. Based on the near-infrared light absorption ability and the highly efficient charge separation efficiency of the type-Ⅱ core/shell quantum dots, this project intends to use such materials as the interfacial modification layer of inorganic perovskite solar cells. Focusing on the two key questions of all-inorganic perovskite solar cell, "the narrow absorption spectrum range" and "the large interfacial energy loss", the project will carry out the following research: (1) Designing and preparing the quantum dots with different structures, the influence of the structure of quantum dots on their photoelectric properties will be studied. (2) The changes of the photoexcited charge characteristics at the perovskite/quantum dot interface will be studied by surface photovoltage and other techniques. (3) The influence mechanism of quantum dot modification on the light utilization performance and photoelectric performance of solar cells will be studied, and the influence rule of quantum dot on the performance of solar cells will be explored. Eventually, experimental and theoretical improvements of the solar cells based on perovskite/quantum dots model will be obtained to provide the basis for obtaining the photovoltaic device with high efficiency and high stability.

CsPbIBr2、CsPbBr3等Br含量高的无机钙钛矿由于具有优异的光、热稳定性，在构筑稳定高效钙钛矿电池方面显示出巨大的应用前景。但较宽的带隙及其器件界面较大的能量损耗，严重制约了钙钛矿太阳能电池性能的大幅改善。基于type-Ⅱ型核壳量子点的近红外吸光能力以及高效的电荷分离效率，本项目拟以这类材料作为无机钙钛矿电池的界面修饰层。围绕全无机钙钛矿太阳能电池存在的两个关键问题，“光谱吸收范围窄”和“界面能量损耗大”，本项目展开以下研究：（1）通过设计制备不同结构的量子点，研究量子点的结构对其光电特性的影响；（2）采用表面光电压等技术研究钙钛矿/量子点界面光生电荷特性的变化；（3）研究量子点修饰对太阳能电池的光吸收利用性能和光电性能的影响机制，探究量子点对太阳能电池性能的影响规律。从实验和理论上完善钙钛矿/量子点的模型，为制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供科学依据。

钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为第三代新型太阳能电池已取得了显著的突破。但其光电性能有待于提高，量子点修饰PSCs可以有效促进界面电荷传输和拓宽光吸收利用范围，从而提高太阳能电池的光电性能。本项目针对量子点材料在PSCs中的应用方面的研究，收集并整理了大量的文献资料。根据查阅的文献，通过仔细阅读、分析归纳、整理这方面课题的最新研究进展，详细阐述了不同的量子点修饰PSCs对界面材料的能级排列、电荷传输速率和电荷分离效率的影响。量子点修饰还有助于钙钛矿结晶，减少TiO2的光催化分解，显著提高PSCs的PCE和稳定性。文献综述表明，虽然量子点的引入可以大幅提高PSCs的性能和稳定性，但是量子点还存在一些问题，使其无法充分发挥潜力，有些方面还需要改进，因此对未来量子点材料在PSCs中的应用提出了学术见解以促进量子点材料在PSCs中的应用研究。且考虑到柔性钙钛矿太阳能电池是目前PSCs发展的一个重要方向和趋势。针对在柔性基底上难以制备高质量钙钛矿薄膜和激子分离效率低等方面的问题，设计制备了基于吡啶杂环为有机夹层的二维（2D）钙钛矿。然后，将此具有铁电性的二维钙钛矿掺入柔性钙钛矿太阳能电池的三维（3D）钙钛矿中。在此基础上，系统地研究了钙钛矿薄膜材料的表面形貌（SEM）和铁电性能变化以及柔性器件的光电转换效率、长期稳定性以及机械柔性转变，并对其光生电荷行为进行了深入探究。研究结果表明：基于2D/3D钙钛矿的电池器件效率超过23%，这是迄今为止报道的最高价值之一。并且，基于2D/3D钙钛矿的器件表现出了优越的机械柔性，在弯曲半径为5 mm的1000次循环弯曲后，效率保持了初始值的93%。2D钙钛矿掺入后的柔性钙钛矿太阳能电池还显示出更优异的稳定性，在运行1000小时后仍保持了82%的初始效率。通过此研究揭示了具有铁电性的二维钙钛矿掺杂对钙钛矿薄膜的性能、太阳能电池光生电荷行为和光电性能的影响机制，为此类铁电性二维钙钛矿材料在钙钛矿太阳能电池中应用提供了科学依据。