新型聚酰亚胺衬底与双电荷传输层结构的柔性钙钛矿太阳能电池研究

Power conversion efficiency of flexible perovskite solar cells have surpassed 16%. But hysteresis phenomenon and weak device stability in air seriously hinder commercialization progress of flexible perovskite solar cells. Instable flexible substrate, instable device interface, mismatching energy level of interfacial charge transport materials are key factors for above issues. This project design the aromatic polyimide containing the triazole group as new flexible substrate. It could transform ultraviolet light into visible light under sunlight and enhance absorption intensity of visible light in flexible device. It also could enhance the ability of super-hydrophobic and compactness of the substrate. So it could effectively enhance device efficiency and stability in air of flexible perovskite solar cells. We also design flexible device construction of double hole transport layer plus double electron transport layer including transition metal oxide. It could optimize interfacial energy level match of charge transport materials and reduce interfacial schottky barrier and recombination probability of charge carrier. It also could benefit charge transport and capture and obviously decrease hysteresis phenomenon. So this design could remarkably improve device efficiency and stability in air of flexible perovskite solar cells. This project will deeply analysis physical mechanism which cause device efficiency degradation of flexible perovskite solar cells. We will illuminate the relationship between materials, structure and performance. This research will further provide theoretical foundation for the design of new flexible substrate, optimization of flexible device construction, energy level control of interfacial charge transport materials.

柔性钙钛矿太阳能电池器件效率虽已超过16%，但器件回滞现象和空气稳定性差的问题严重阻碍其商业化发展。柔性衬底不稳定、器件界面不稳定、界面电荷传输材料能级不匹配是引起这些问题的主要原因。本项目设计了含三唑基团的芳香型聚酰亚胺作为新型柔性衬底，可将太阳光中的紫外光转换为可见光，增强器件可见光吸收强度和超疏水能力，并增加衬底致密性，从而有效提高柔性钙钛矿太阳能电池效率和空气稳定性；还设计了含过渡金属氧化物的双空穴传输层+双电子传输层柔性器件结构，可优化柔性器件中电荷传输材料界面能级匹配，降低器件界面肖特基势垒和载流子复合几率，有利于电荷的传输和捕获，明显减小器件回滞现象，显著提高柔性钙钛矿太阳能电池器件效率和空气稳定性。本项目将深入分析柔性钙钛矿太阳能电池器件效率衰减的物理机理，阐明材料—结构—性能之间的相互关系，进一步为新型柔性衬底设计、柔性器件结构优化、界面电荷传输材料能级调控提供理论依据。

本项目聚焦柔性钙钛矿太阳能电池的关键材料和器件研究，并拓展到大面积（100cm2）碳电极钙钛矿太阳能电池模组的应用研究。我们采用双电子传输层PC61BM/CrOx的器件结构设计，可以明显提高溶液法制备的有机无机金属卤化钙钛矿太阳能电池的光电转化效率，比仅使用单层PC61BM电子传输层提高17.5%的效率，更重要的是，在没有封装的空气环境下，器件稳定性比单层PC61BM电子传输层提高10倍以上。我们创新性地将下转换纳米材料和上转换纳米材料分别应用于钙钛矿太阳能电池器件，不仅提高了器件的能量转换效率，而且大幅提高了器件的光照稳定性。我们首次合成出含膦苯基的PDI聚合物电子传输材料，这种新型电子传输材料不仅具有优异的自身热稳定性，而且用此新型传输材料制备的钙钛矿太阳能电池器件具有优异的长期稳定性。我们总结了金属氧化物、有机分子和多层结构三类电子传输材料的最新进展，指出掺杂的金属氧化物具有较高的电子迁移率和能级匹配，非富勒烯有机电子传输材料具有更好的电子迁移率和可调节的能级，多层结构电子传输材料的协同作用是获得稳定、高效钙钛矿太阳能电池的重要研究方向。为了获得大面积、均匀且无针孔的钙钛矿薄膜，我们深入研究了钙钛矿薄膜成膜过程中的中间相，通过优化钙钛矿薄膜的反溶剂配比，得到最佳的中间相配位溶剂数，这个中间相配位溶剂数通过高精度天平来测量，从而制备出大面积（100cm2）无空穴传输层碳电极钙钛矿太阳能电池模组效率为10.2%。这个有效的方法为制备高质量钙钛矿薄膜和大面积钙钛矿太阳能电池模组提供了非常有价值的指导方向。我们合成了两种新型的芳香族聚酰亚胺透明耐高温柔性衬底材料，创新性地开发了空气中大面积全印刷制备钙钛矿太阳能电池模组的方法，制备出了大面积（100cm2）的刚性和柔性碳电极钙钛矿太阳能电池模组。本项目达到了预期研究目标，制备出柔性钙钛矿太阳能电池获得17.52%效率，累计在Science China Chemistry, Solar RRL等国际权威和重要期刊发表论文14篇，申请中国专利8项，其中授权1项；受邀做大会主题报告1次，邀请报告7次，培养博士3人，硕士1人，博士后2人。