基于双官能团有机铵盐分子的钙钛矿维度和表界面协同调控及高效稳定光伏器件研究

The organometal halide perovskite materials have been developing rapidly and show great application prospect in the field of photovoltaic. However, due to the poor stability of the conventional three-dimensional perovskite materials under moisture and elevated temperature, and the poor performance of the photovoltaic device interfaces, it is difficult for the perovskite solar cells to achieve high efficiency and long lifetime simultaneously. This proposal focuses on the key scientific challenges of photovoltaic device based on perovskite materials. In conjunction with computational simulation and molecular design on a series of organic ammonium salt embedded with double functional groups, through controlling the perovskite composition and dimension, the two-dimensional Ruddlesden-Popper perovskite materials with uniform crystal orientation and excellent film morphology can be controllably realized. By synergistically applying the engineering strategy at the interfaces of perovskite layer between the electronic collection layer and the hole transport layer, respectively, the interface performance, including the photoelectric and chemical properties, the efficiency of photon acquisition ability, and the carrier mobility, et al. can be improved. Finally, this proposal will target to make the controllable fabrication of perovskite solar cells with good stability and high efficiency, and build the relationship among the molecular structure, material properties and device performance. With the project implementation, it will open a pathway and provide guidelines to achieve highly efficient and stable perovskite solar cells.

新型金属卤化物钙钛矿光电材料近年来发展迅速，在光伏领域展现出巨大的应用前景。然而，常规三维钙钛矿材料湿热稳定性差且其光伏器件表界面性能尚不完善，导致钙钛矿光电器件难以同时实现高效和稳定。本项目围绕钙钛矿太阳能电池相关基础科学问题，以双官能团有机铵盐嵌入分子的理性设计及合成为切入点，通过控制钙钛矿化学组份和维度，开发出晶体取向及薄膜形貌可控并且更具光电活性、更高效的准二维钙钛矿材料；协同调控钙钛矿材料层分别与电子收集层和空穴传输层之间的两个关键器件表界面，提高界面光电及物化性能，寻求提高钙钛矿太阳能电池光子捕获效率、电荷转移、传输和分离效率的新方法；实现高效、稳定钙钛矿太阳能电池的可控制备；厘清分子结构、材料特性与器件性能之间的构效关系。本项目的实施有望为钙钛矿太阳能电池的发展提供具有自主知识产权的材料体系和器件结构、以及理论基础和技术支撑。

本项目以钙钛矿材料嵌入分子的优化设计实现高效、稳定钙钛矿太阳能电池的可控制备为核心，重点探索了钙钛矿材料层（P）及电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL）关键功能层表界面的光电及物化性能，提出光电转换材料设计新概念、新理论和新方法，掌握了分子设计、材料合成和器件制备中的若干关键技术，探索出了一条从分子的设计和合成到器件光电性能与材料物化结构的构效关系，最后构筑高效稳定钙钛矿光伏器件的研究路线。项目在研发过程中密切联系工业界，探索并深入了解了产业应用的可行性与亟待突破的瓶颈。.本项目紧紧围绕钙钛矿太阳能电池光电转换相关基础科学问题，以钙钛矿晶格嵌入分子的理性设计及合成为基础，通过控制钙钛矿化学组份和维度，并协同调控钙钛矿材料层（P）分别与电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL）之间的两个关键表界面，探索了在稳定前提下提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的新方法，取得了重要的科研进展：（1）通过交联聚合物（CLP）构建了稳定的3D/CLP/2D结构，揭示了材料维度控制及表界面调控的协同作用对器件效率及稳定性的影响机制，实现了4390小时器件效率衰减不超过10%的高稳定性；（2）通过分子设计合成了一系列新型钙钛矿功能层材料和表界面材料，并实现了非常具有前景的应用；（3）通过修饰、掺杂和界面调控，实现了高性能和高稳定性的载流子传输层，揭示了分子、材料、形态（界面）结构及器件性能之间的联系，制备的器件最高达到24.7%的光电转换效率；（4）项目成果在国际主流SCI高水平刊物上发表学术论文11篇，申请国家发明专利6项，受到学术领域与媒体的关注，建立了良好的国际国内合作关系。基于本项目的研发基础，项目负责人作为骨干参与了国家重点研发项目计划关于高效全钙钛矿叠层太阳电池的开发，为未来推动钙钛矿太阳能电池在能源领域的应用奠定了基础，助力我国“双碳”目标实现。