开发基于钙钛矿材料的高效率低成本全固态太阳能电池

A revolutionary new perovskite materials system has very recently emerged offering a promising alternative for sensitized solar cell material and structure. Organometallic halide perovskite (e.g., (CH3NH3)PbI3) as light absorber and p-type CsSnI3 (also of the perovskite structure) as solid electrolyte have recently demonstrated impressive solar cell efficiency in the range of 9-11%. To achieve higher efficiency solar cell based on these novel perovskite materials, fundamental research is proposed here. (1) Develope novel synthesis approaches to prepare different pervoskite material and optimize their photoelectric properties. (2) Construct novel solid state solar cell by using different metal oxide nanocrystals with varying morphology. (3) Investigate the electron transport in these novel solar cell to optimize the synthesis and device assembly. In summary, the proposed fundamental research will promote the development and even commercialization of high efficiency solar cells based on low-cost perovsikte materials.

最新出现的两类钙钛矿型（Perovskite）卤化物：（CH3NH3）PbI3和CsSnI3，分别被成功的应用于不同结构类型的敏化太阳能电池，并且都实现了9－11%左右的效率，成为低成本太阳能电池的最新突破。这两项材料给敏化电池的发展引入了革命性的材料和新结构。其中（CH3NH3）PbI3具有远高于传统染料的吸光系数而成为新型吸光材料，p型钙钛矿型碘化物CsSnI3半导体具有很高的导电性。本项目计划针对这两项新型钙钛型卤化物材料进行下列基础研究：（1）优化钙钛型卤化物材料的合成以及性能测试；(2)开发多种金属氧化物纳米结构用于组装开发新型固态太阳能电池器件；（3）研究器件中界面电子转移和传输，利用获得的机理改进材料的合成优化固态电池结构。这些基础研究将为基于钙钛矿型卤化物的新型固态太阳能电池的实用化发展提供坚实的研究基础，最终促进低成本高效率的新型太阳能电池的开发和广泛应用。

从2012年以来，铅卤钙钛矿CH3NH3PbI3（MAPbI3）凭借其可调控的宽光谱响应吸收、优异的光电转化效率以及低制备成本等优点，迅猛发展成为近年来光电转化材料研究的热点。申请人自2013年以来较为系统和深入地研究了铅卤钙钛矿物理化学性质，在钙钛矿太阳能电池的可控结晶生产、电子传输性质、维度转化和调控取得一系列创新性成果。1、钙钛矿材料的可控结晶生长。申请人在2014年开发了通过引入可控量的含Cl添加剂来实现调控制备高质量的钙钛矿材料(J. Am. Chem. Soc. 2014，136，12241)。通过开发多孔性PbI2膜和预膨胀的PbI2•xCH3NH3I和HPbI2Cl的方法来调整 (Nano Lett. 2015, 15，3959)。2、钙钛矿电池的电子传输和表面钝化。申请人研究发现TiO2介孔层对于钙钛矿电池中电子注射过程有显著影响，此外钙钛矿电池中经常出现的PbI2杂质既可以阻碍钙钛矿电池中的电子转移但也可以对电子注射有明显的钝化作用（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136，12205）。并开发的气/固法在钙钛矿晶界实现PbI2的可调控生长来有效钝化钙钛矿，获得了有效的电荷分离（Nano Energy 2016, 26，50）。此外，申请人还通过Br离子引发MAPbI3钙钛矿纳米晶的Ostwald熟化过程，从而使钙钛矿晶粒再生长获得更大的晶粒并在钙钛矿表面实现有效的Br离子钝化（Nat. Commun. 2016，7，12305）。3申请人通过引入HCl分子到3D钙钛矿中来构建2D钙钛矿，同时通过HCl的挥发来实现2D-3D的转化而得到3D钙钛矿，从而实现了通过离子交换导致的维度转换来制备高质量钙钛矿薄膜（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 13460）。此外，申请人通过引入具有NH3+和COO-双官能团的氨基酸到3D钙钛矿中，两端分别插入ABX3结构的钙钛矿的A和X位置的氨基酸把3D钙钛矿结构链接成2D/3D混合的钙钛矿结构；该2D/3D混合结构获得量子效应可调的高荧光效率的铰钙钛矿薄膜（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 3568）,我们通过引入双氨基的2D钙钛矿成功的稳定了α相的CsPbI3并实现了世界最高的效率（Sci. Adv., 2017, 3, e1700841.）