无机电荷传输层改善平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池稳定性的研究

In the past several years, the power conversion efficiency (PCE) of organic-inorganic hybrid perovskite solar cells (PSCs) has skyrocketed to over 20%, which is comparable to that of the commercial silicon solar cells. The stability issue has been the major limitation for the commercial application of PSCs after the PCE is no longer a problem. This project aims to improve the long-term stability of planar p-i-n PSCs by employing inorganic charge-transport layers. Firstly, two-dimensional (2D) transition-metal dichalcogenides (e.g., MoS2, WS2) are used to replace PEDOT:PSS as hole-transport layer, which avoids the drawbacks of PEDOT:PSS, such as high acidity, hygroscopic properties. Secondly, we reserve the PCBM electron-transport layer, which can eliminate the photocurrent hysteresis by passivating the trap states on the surface and grain boundaries of the perovskite materials. The PCBM and perovskite layers can be protected from moisture and oxygen by incorporating n-doped ZrOx, nanocrystalline SnO2 or Cs2CO3 as cathode buffer layer between PCBM and metal electrode. Finally, we systematically investigate the important effect of inorganic charge-transport layers on the stability improvement of planar p-i-n PSCs. The results obtained in this project provide new perspectives for producing highly stable PSCs.

近几年，有机−无机杂化钙钛矿太阳能电池的效率不断飙升，目前已经突破20%，接近于商业化的硅太阳能电池的效率。在效率问题成功得到解决后，钙钛矿太阳能电池稳定性的问题成为其走向实际应用的最大阻碍。本项目拟采用无机电荷传输层来改善平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池的稳定性。首先，采用二维过渡金属二硫化物（如MoS2、WS2）作为空穴传输层取代常用的PEDOT:PSS，以解决PEDOT:PSS溶液呈酸性、吸湿性等问题。其次，保留PCBM电子传输层，通过PCBM钝化钙钛矿表面和晶界处的陷阱态排除光电流迟滞。在PCBM和金属电极间引入n型掺杂的ZrOx、纳米晶SnO2或Cs2CO3作为阴极界面修饰层，以保护PCBM和钙钛矿层免受水氧的侵害。最后，系统研究无机电荷传输层对改善平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池稳定性的重要作用。本项目为解决钙钛矿太阳能电池稳定性问题提出了新的视角。

目前，有机—无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率已经突破25%，于是稳定性问题成为其商业化应用的最大阻碍。有机半导体材料由于具有材料来源丰富、可低温溶液加工以及可钝化钙钛矿表面缺陷态等优点，是普遍采用的电荷传输层（CTL）材料。然而，有机材料本质上稳定性较差，在潮湿的大气环境中很容易分解，因此使用有机CTL在很大程度上会影响器件的稳定性。本项目采用无机二维过渡金属二硫化物（2D TMDs）作为CTL代替传统的有机CTL，来提升PSCs的稳定性。主要研究内容和结果如下：. 1. 利用简单插锂剥离的方法成功制备出2D MoS2和2D WS2的水溶液。采用2D MoS2和2D WS2作为空穴传输层（HTL）制备的平面p-i-n型PSCs的器件效率非常依赖于这两种2D TMDs中金属性1T相的含量。高温加热会减少2D MoS2和2D WS2中1T相的占比，从而降低器件的功率转换效率（PCE）。利用高占比1T相的2D MoS2和2D WS2作为HTL，分别实现了最高14.35%和15.00%的PCE，高于传统PEDOT:PSS作为HTL的器件效率（12.44%）。. 2. 利用紫外臭氧（UVO）处理的2D TiS2作为电子传输层（ETL），在有机-无机杂化PSCs中实现了18.79%的PCE。进一步采用SnO2/2D TiS2双层ETLs代替2D TiS2单层ETL，获得了21.73%的器件效率，为目前平面n-i-p型PSCs的高效率之一。更重要的是器件表现出优异的空气稳定性，将未封装的器件放置在干燥空气中800小时后，器件PCE依然可以保持初始效率的~95%。. 3. 利用热衬底旋涂的方法制备出13.8% PCE的CsPbI2Br全无机PSCs。进一步采用SnO2/2D TiS2双层ETLs代替SnO2单层ETL，将CsPbI2Br PSCs的PCE提升至14.93%。更重要的是器件表现出优异的热稳定性，在氮气手套箱中85 ºC加热210小时后，器件PCE仍然能够维持初始效率的73%。. 通过本项目的研究，充分证明2D TMDs是一类很有潜力的CTL材料，能够有效提升不同类型钙钛矿的光伏性能。本项目的研究成果为推动PSCs的商业化应用做出了贡献，也为后续开发更多的水/醇溶性2D TMDs材料打下了结实的基础。