氧化物薄膜在钙钛矿太阳能电池中的电子输运机理

In order to reveal the electron transportation mechanisms of the oxide films in the perovskite solar cells, the hetero-junction and mesoscopic perovskite solar cells are prepared on flexible PI substrate, which are based on the ideas of matching the conductive bands, and differentiating the contact areas between the oxide films and the peorskite coatings. The influence of the structures (crystal lattices and optical band gap, conductive bands ) of the oxide films and perovskite coatings, as well as the contact area between them on the electron transition, transportation are investigated by measuring and calculating of the lattice structures, conductive bands, optical band gaps, the optical and electrical properties of the films, and the I-V properties of the perovskite solar cells. The possible electron transportation mechanisms of the oxide films in the perovskite solar cells, e.g. 1) pn heterojuncion, 2) or pin heterojuncion, 3) or the sensitizing effect to hold and transport the electrons from the absorb layers to the electrodes, are analyzed and discussed. This study will provide the experimental and theoretical data to help the fabrication of the high-effective flexible perovskite solar cells in the near future.

针对钙钛矿太阳能电池中氧化物材料及其能级分布对电子传输作用机理不明确的问题，基于氧化物薄膜与钙钛矿吸收层导带能级匹配的设计，及两者接触面积差异化设计理念，在柔性PI基体上制备平面异质结型及介观纳米骨架钙钛矿太阳能电池。通过表征和计算氧化物薄膜及钙钛矿涂层的晶格结构、能级分布、光电性能及太阳能电池的I-V性能，探索钙钛矿太阳能电池中透明氧化物薄膜在电子从吸收层向传输层跃迁、输运过程的物理机制，阐明作为电子传输材料的氧化物薄膜与钙钛矿涂层接触面积差异对电子迁移的作用机制；揭示钙钛矿太阳能电池中电子传输材料作用机理----形成平面异质结类型、敏化作用存在与否，并阐述上述作用机制下太阳能电池性能变化。此研究将为开发高效、柔性钙钛矿太阳能电池提供实验及理论基础。

本项目涉及钙钛矿太阳能电池的透明导电电极层及钙钛矿层两个部分。.在透明导电电极层中，制备平面和纳米棒阵列两种结构薄膜。为深入研究透明导电薄膜，本项目涉及了三方面工作：1）适应于柔性基体的超薄透明导电电极AZO/Ag/AZO。结果表明，其可见光区平均透光率达80%以上，70nm厚的电极方块电阻小于5Ω/sq，具有较高的光电品质因子，具有在柔性基体表面以平面异质结形式复合钙钛矿吸收层形成钙钛矿太阳能电池应用的可能性。2)采用水热法制备了ZnO 纳米棒阵列。通过调控前驱体PH值，纳米棒阵列结构可控，且其可见光区透光率达80%。3）具有优异透光和导电性的石墨烯受稳定性和易划伤性限制，磁控溅射和蒸发镀制备的ZnO/石墨烯复合薄膜以保护石墨烯表面，氧与碳成键而使石墨烯的导电能力下降。.在钙钛矿材料和薄膜的制备中，1）以采用真空双源共蒸发技术制备了CH3NH3PbI3薄膜，当退火温度超过100 ℃时薄膜分解，随有机组分的挥发，产生大量过剩PbI2相。2）为促进薄膜的稳定性，制备了全无机CsSnI3-x(F)x薄膜。因为F-Sn键长较短，键能较强，随着F元素的掺杂，延缓了其在空气中的相变过程。此类钙钛矿薄膜在空气中以双层结构稳定存在。3）采用改进的水热方法合成铅掺杂钙钛矿Cs2Sn(Pb)I6粉体，并优化其半导体性能。Cs2SnI6中引入2at%Pb2+不仅有利于提高Cs2SnI6的热稳定性，而且扩大了光吸收范围，且产生了较高的光电流(~90μA)。4）在外加纳米级机械载荷时，稳定双层Cs2AgBiBr6单晶局域带隙变窄，光电倍增效应增强。5）BaTiO3和BiFeO3纳米薄膜经水溶液处理后，因羟基与极化薄膜键合，增强了其二极管效应。