基于p型介孔M-NiOx纳米纤维空穴传输层的反式钙钛矿太阳能电池研究

The inverted perovskite solar cells with p-type transparent NiO hole transport material (HTM) have attracted growing interests because of cost-effectiveness, reduced hysteresis effects, and good stability. However, the low electron-conducting ability and low uptake of NiO toward perovskite halides have markedly limited the photovoltaic performance enhancement in their inverted perovskite solar cells. To address these issues, we launch a strategy in this project of synthesizing one-dimentional mesoporous M-NiOx (M = Cu, Li) nanofiber hole materials having controllability of microstures, morphologies and components by combining block copolymer template method with an electrospinning technique. The uptake for perovskite halide and conductivity of NiOx HTMs will be significantly increased by the design of mesoporous nanofiber and low-valent metal doping, thus increasing the photovoltaic performance of perovskite solar cells, it is expected to achieve more than 15% power conversion efficiency. The relationships between structural parameters of M-NiOx hole transport layer and cell photovoltaic performances will be demonstrated by adjusting synthesis conditions and analyzing photoelectrical behaviors. Moreover, the dependence of charge transportation on mesoprous M-NiOx nanofibers hole transport layer as well as the mechanisms behind the enhanced cell photovoltaic performances will be studied, revealing the potential reasons for increasing solar cell performances. The abovementioned research is expected to provide theoretical and technical supports for cost-effective and high-efficiency inverted perovskite solar cells.

基于p型透明氧化镍空穴材料的反式钙钛矿太阳能电池因成本低、回滞效应小、稳定性好等优点日益受到广泛关注。但是，氧化镍较低的电导率以及对钙钛矿物质的低负载量，制约了其构成的反式钙钛矿太阳能电池光伏性能的提高。本项目拟采用嵌段共聚物模板法结合静电纺丝技术制备微观结构、形貌及组成可控的一维介孔M-NiOx（M=Cu、Li）纳米纤维空穴材料。通过低价金属受主掺杂提高NiOx的电导率，介孔及纳米纤维的结构设计同时增加NiOx空穴层的钙钛矿负载量与电导率，最终提高电池的光伏性能，预计实现超过15%的能量转换效率。结合合成条件的调控及光电性能分析，探讨M-NiOx空穴传输层的结构参数与电池光伏性能间的内在关系，揭示介孔M-NiOx纳米纤维空穴层对载流子传输的促进作用，探明导致电池光伏性能提高的机理问题，发现影响电池光伏性能的关键因素。这将对低成本、高效率反式钙钛矿太阳能电池的研究提供有力的理论和技术支持。

近几年，钙钛矿太阳能电池的能量转换效率已从最初的3.8%快速增长至现在的25.2%，其迅猛的发展速度掀起了全世界的研究热潮。空穴传输层是钙钛矿太阳能电池结构中一个关键组成部分。在众多空穴传输材料中，无机氧化镍因其成本低、带隙宽、与钙钛矿材料能级接近的价带、高透明性、良好的空穴传导性及环境稳定性成为研究的热点。但氧化镍较低的电导率及对钙钛矿活性层的低负载量，限制了其组装的反式钙钛矿太阳能电池光伏性能的进一步提升。本项目采用嵌段共聚物模板法制备微观结构、形貌及组成可控的介孔M:NiOx（M=Cu、Li）纳米空穴材料。通过介孔及低价金属受主掺杂的结构设计，增加其钙钛矿负载量与电导率，提高氧化镍基反式钙钛矿太阳能电池的光伏性能。主要研究成果包括以下几个方面：（1）通过优化镍盐前驱液种类，煅烧温度、时间等实验条件实现了介孔M-NiOx纳米结构与组成的可控制备。（2）系统研究了介孔M-NiOx纳米材料微观结构、形貌及组成对钙钛矿活性材料的形貌、覆盖度、光捕获效率性质等的影响，明确了它们的变化规律及相互依存关系。（3）探讨了M-NiOx空穴传输层的结构参数与电池光伏性能间的内在关系，阐明了基于介孔M-NiOx纳米空穴材料的钙钛矿太阳能电池的载流子传输模式及速度、电子-空穴复合速率等内在机制。经过详细的实验条件优化研究，将基于NiOx空穴层钙钛矿太阳能电池的效率由9.68%提高至14.72%，增加了近52.1%。（4）开展了碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的研究，利用组分工程、界面修饰及能级调控工程、缺陷钝化工程等策略，获得了该类电池中较高水平的10.03%的光电转换效率。本项目的研究为低成本、高效率钙钛矿太阳能电池的发展提供了一定的理论参考和技术支持。在本项目的资助下，共发表SCI学术论文39篇，申请国家发明专利7项，其中授权1项，获教育部高等学校科学研究优秀成果奖及山东省高等学校科学技术奖各1项、青岛市科学技术奖2项。