基于低温电子传输材料的柔性有机/无机复合钙钛矿太阳电池研究

Perovskite solar cells (PSCs) based on organometal halide light absorbers have been considered a promising photovoltaic technology due to their superb power conversion efficiency (PCE) along with very low material costs. Nevertheless, there are lots of questions to hinder its industrialization development, such as the ultraviolet light instability of the anatase phase TiO2, the stability of PSCs. So in this project, we propose the rutile phase TiO2 working as electronic transport layer of perovskite solar cells on flexible substrate. Rutile phase TiO2 is the stable structure of TiO2. The rutile phase TiO2 would prepared by the hydrolysis-hydrothermal method at low temperature (<150℃). The electronic mobility of TiO2 would increase with the increasing of oxygen vacancy concentration, but the ultraviolet light instability of TiO2 would deteriorate. So we must found the reasonable regulation of oxygen vacancy concentration of TiO2. We will focus on revealing the mechanism of the effect, principle and the way of improvement between the phase of TiO2 and the stability of PSCs. At the same time, we will ensure the microstructure, surface morphology and infiltration characteristics of low temperature TiO2 which influence the growth of perovskite thin film. The crystalline structures of the perovskite thin film will be controllable grow. The interface structure between TiO2 and perovskite will be designed for reducing carrier recombination. Finally, the high efficiency and stability of PSCs on flexible substrate will be prepared.

有机/无机复合钙钛矿太阳电池光电转换效率在短时间内达到了第一代晶体硅电池高效率水平，受到了全世界光伏领域的高度关注，但目前仍有许多问题阻碍其产业化发展。针对锐钛矿相TiO2紫外衰退和钙钛矿太阳电池稳定性问题，本项目提出具有稳定结构的金红石相TiO2电子传输层，并将其应用于柔性衬底有机/无机复合钙钛矿太阳电池。本项目采用水解-水热法低温（<150℃）制备金红石相TiO2，合理调控TiO2中氧空位浓度，平衡它对薄膜电子迁移率和稳定性的影响。通过揭示不同结构TiO2电子传输层对钙钛矿太阳电池稳定性的影响、原理和改进方式，提高有机/无机复合钙钛矿太阳电池紫外光照射下的稳定性。研究低温TiO2微结构、表面形貌和浸润特性对有机/无机复合钙钛矿薄膜生长的影响，钙钛矿薄膜晶体结构可控生长，TiO2/钙钛矿吸收层界面设计和优化，制备高效稳定的柔性衬底有机/无机复合钙钛矿太阳电池。

柔性钙钛矿太阳电池具有高效、低成本、高重量比功率和柔性可展开的优点，是下一代薄膜太阳电池产业化的研究热点。为了进一步提高柔性钙钛矿太阳电池转换效率，解决低温柔性钙钛矿太阳电池关键技术，在国家自然科学基金委员会的大力支持下，开展了低温TiO2薄膜的制备和性能优化，研究低温TiO2微结构、表面形貌和浸润特性对有机/无机复合钙钛矿薄膜生长的影响，钙钛矿薄膜晶体结构可控生长，TiO2/钙钛矿吸收层界面设计和优化，制备了高效稳定的柔性衬底有机/无机复合钙钛矿太阳电池。. 取得的主要研究成果：（1）采用阳极氧化法和磁控溅射法低温（<150℃）制备TiO2薄膜，明确TiO2薄膜结构、光电特性和表面形貌等基本特性，明确TiO2中氧空位浓度对薄膜电子迁移率和稳定性的影响，阐明不同结构TiO2薄膜对柔性钙钛矿太阳电池性能的影响、原理和改进方式。优化电子传输层制备的柔性衬底钙钛矿薄膜电池效率达到14.44%，玻璃衬底太阳电池效率达到19.49%。（2）建立了一套完整的钙钛矿晶粒尺寸和晶界缺陷对材料和器件性能影响的理论分析模型，重点研究了多晶钙钛矿薄膜内晶界缺陷(PGB)引起的深能级陷阱对载流子行为机制产生的影响。通过添加水溶液、改变有机无机元和反溶剂法等工艺手段，改变钙钛矿薄膜晶体结构、晶粒尺寸和能带结构等特性，进一步提高了柔性衬底钙钛矿太阳电池转换效率，效率超过16%，远远超出了申请书中的技术指标。（3）研究了柔性衬底钙钛矿太阳电池温度、湿度和紫外光稳定性。通过离子替换工程制备不同结构的钙钛矿薄膜，确定了最佳离子替换比例，并研究了其对PET柔性光伏器件效率及稳定性的影响。此外，通过使用稀土材料制成光下转换薄膜为钙钛矿太阳电池提供准封装膜。这一方法不仅提升了器件对紫外光照的稳定性，同时令器件的光吸收能力和太阳光谱有了更好的匹配，进而在理论上可以对器件工作时的短路电流密度有所提升。