能级匹配的钙钛矿太阳能电池界面材料设计与载流子传输机理

In view of the fact that perovskite-type solar cells focus on the application of new materials and device optimization of electron transport layer and perovskite absorption layer, there is lack of the in-depth study on photon-driven carrier diffusion kinetics, especially the mechanism of the hole transport kinetics is not clear. In this project, a series of In (III), Cu (I) metal-organic coordinate polymers (CP, azacycloheterocyclic and oxynitroheterocyclic based) were designed and synthesized as MAPbI3 and hole transport materials (Spiro-OMeTAD) interfacial matching layer through band alignment to construct MAPbI3/CP/Spiro-OMeTAD composite interface layer; the structure-activity relationship of the metal species, organic ligand composition and coordination polymer structure with the photoelectric conversion efficiency was explored. The transient photovoltaic technology, time resolved transient fluorescence spectra and transient absorption spectra were used to reveal the diffusion kinetics of photo-generated carriers (holes and electrons) in MAPbI3/CP/Spiro-OMeTAD composite interfacial films of perovskite solar cells and establish the relationship between the ultrafast kinetics of photo-generated carriers and the photoelectric conversion efficiency to provide the support for further improving the photoelectric conversion efficiency of perovskite-type solar cells.

针对钙钛矿型太阳电池侧重于电子传输层和钙钛矿吸光层新材料应用工艺和器件优化，而对光生载流子扩散动力学缺乏深入研究，特别是钙钛矿电池界面空穴传输动力学机理尚不明晰等问题。本项目拟以能级匹配为导向，设计合成一系列In, Cu(I)等金属有机配位聚合物（Coordination Polymer简称CP）作为MAPbI3和空穴传输材料Spiro-OMeTAD的界面匹配层，构建MAPbI3/CP/Spiro-OMeTAD复合界面层；探索金属种类和有机配体组成、配位聚合物结构与光电转换效率的构效关系，以瞬态光伏技术、时间分辨的瞬态荧光光谱和瞬态吸收光谱为研究手段，揭示钙钛矿型太阳电池MAPbI3/CP/Spiro-OMeTAD复合界面层薄膜中光生载流子（空穴和电子）扩散动力学，建立钙钛矿型材料的光生载流子超快动力学与光电转换效率之间的关系规律，指导进一步提升钙钛矿型太阳电池光电转换效率。

近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的相关研究不断发展，其光电转换效率（PCE）得到飞速的提升，目前认证的转换效率已突破25.7％。尽管如此，钙钛矿太阳能电池的实际生产及应用仍受限于器件的稳定性和界面的不良传输。基于有机分子Spiro-OMeTAD作为空穴传输层材料（HTM）与钙钛矿层的界面传输问题的PSCs是当前研究的热点。目前由于Spiro-OMeTAD的电导率和空穴迁移率仍然较低，并且达到氧化态的时间较长，需要多种掺杂剂提高HTM的电学性能。因此，通过简单的化学掺杂策略直接定量可控的氧化Spiro-OMeTAD，改善和调控空穴传输层的性能及稳定性有利于提升PSCs的转换效率和稳定性，对器件的产业化发展具有重要意义。构筑一系列In/Cu金属有机配合物复合空穴传输层、金属有机骨架材料/钙钛矿异质结构吸光层、钙钛矿太阳能电池器件的优化、确定材料-器件的组成，结构、各层形貌-性能之间的关系规律、利用瞬态荧光光谱、纳秒瞬态光伏，二次飞行质谱、红外-热重联用等技术揭示其光生载流子扩散动力学的影响因素，建立光生载流子动力学与光电转换效率之间的关系规律。通过金属配合物的结构设计和组装，有效地修饰钙钛矿电池空穴传输层和吸光层提高其光电转换效率，制备的钙钛矿太阳能器件实现了超过22%的光电转换效率，揭示光生载流子动力学与光电转换效率关系规律。在40%相对湿度的室温条件下储存一月后，无封装的电池器件仍然能保持初始PCE的90%。这些研究工作表明一种简单化学掺杂策略即将In/Cu金属有机配合物引入空穴传输层，不仅实现定量可控氧化Spiro-OMeTAD，提升薄膜的电导率和空穴迁移率，还能抑制其他掺杂剂的离子迁移行为，而且器件的长期稳定性也得到了明显地提升。因此，通过金属有机配合物的结构设计调控钙钛矿电池器件的性能及稳定性具有潜在应用前景。