高效碳纳米纤维支架结构钙钛矿太阳能电池电荷传输机制研究

One dimensional carbon nanofiber as scaffold for perovskite solar cell could improve both electron transport property and light scattering effect, and then to enhance the power conversion efficiency of device. Moveover, the pore size between carbon nanofiber is large enough for growth of perovskite crystals with bigger size. However, the mechanism of electron transport in this kind of perovskite solar cell is not clear. Here, we propose to fabricate carbon nanofiber by electrospinning and utilize it as scaffold for perovskite solar cell. Through designing the surface state and mobility of carbon nanofiber, crystal size of perovskite and interface property to investigate the effect of morphology and physical property of nanofiber on photovoltaic performance of perovskite solar cell. Moreover, explore the mechanism of electron transport in this kind of perovskite through transient fluorescence spectrometer, IMPS/IMVS and EIS. The results help us understand the process of charge transport, which support us to optimized the charge transport and then to fabricate high efficiency perovskite solar cell.

一维碳纳米纤维作为钙钛矿太阳能电池的支架，提高电荷传输能力的同时能够增加入射光在器件内部的多重散射，增强光吸收，提高电池光电转化效率。碳纳米纤维间隙亦有助于大尺寸钙钛矿晶粒形成，降低晶界处电子-空穴的复合。但电荷在碳纳米纤维支架结构钙钛矿太阳能电池中传输机制尚不清楚，需要深入研究。本项目拟通过静电纺丝制备碳纳米纤维并将其用作钙钛矿太阳能电池的支架，通过设计和调控碳纳米纤维表面状态及载流子迁移率、钙钛矿晶粒尺寸及界面层物性，研究电荷在支架、界面及钙钛矿体材料中的传输过程，并讨论碳纳米纤维及钙钛矿晶粒形貌、载流子迁移率等对电池光电性能的影响。利用电化学阻抗、调制光电流/光电压谱、荧光光谱等方法确定界面电阻、载流子寿命等动力学参数，揭示电荷在碳纳米纤维支架结构钙钛矿太阳能电池中的传输机制。研究成果有助于深入理解钙钛矿太阳能电池电荷传输过程，为优化电荷传输路径，开发高效钙钛矿电池提供支持。

一维碳纳米纤维作为钙钛矿太阳能电池的支架，提高电荷传输能力的同时能够增加入射光在器件内部的多重散射，增强光吸收，提高电池光电转化效率。碳纳米纤维间隙亦有助于大尺寸钙钛矿晶粒形成，降低晶界处电子-空穴的复合。但电荷在碳纳米纤维支架结构钙钛矿太阳能电池中传输机制尚不清楚，需要深入研究。本项目提出通过静电纺丝方法及后续低温热处理工艺制备碳纳米纤维并将其用作钙钛矿太阳能电池的支架，通过设计和调控碳纳米纤维表面状态、钙钛矿晶粒尺寸及界面层物性，研究电荷在支架、界面及钙钛矿体材料中的传输过程，并讨论碳纳米纤维支架厚度、钙钛矿形貌等对钙钛矿太阳能电池光电转化性能的影响。由透射电子显微镜图片可以看出，通过本项目制备的一维碳纳米纤维是由二维石墨纳米片层卷曲得到的，X射线衍射表明这种碳纳米纤维表现出很高的结晶度，同时，拉曼光谱显示此碳纳米纤维较好的保持了石墨材料的优异特性，是一种理想的一维碳纳米材料。我们将这种碳纳米纤维作为支架结构用于钙钛矿太阳能电池，通过优化碳纳米纤维支架厚度、钙钛矿薄膜旋涂工艺等，成功制备了光电转化效率高达18.23%的基于碳纳米支架结构的钙钛矿太阳能电池，相对于传统介孔-TiO2支架结构的钙钛矿太阳能电池，光电转化效率提高了20%多。光电转化效率的提高，主要归功于填充因子的提高，即电荷传输、收集效率的提高。随后，利用原子力显微镜（普通扫描模式及施加偏压模式）、瞬态荧光等方法确定电荷优先传输路径、载流子寿命等动力学参数，研究电荷在碳纳米纤维支架结构钙钛矿太阳能电池中的传输机制。通过原子力显微镜成像结果及瞬态荧光光谱，可以得出碳纳米纤维支架结构在钙钛矿太阳能电池中起到传输电荷的作用，且电荷在碳纳米纤维支架结构上的传输更高效。本项目研究成果有助于深入理解钙钛矿太阳能电池电荷传输过程，为优化电荷传输路径，开发高效钙钛矿电池提供支持。