界面结构组成对钙钛矿太阳能电池光电转换动力学的影响

Perovskite solar cells have attracted intensive interest because of their excellent photovoltaic performance. However, the mechanisms of the photoelectric conversion process in this promising device are still unclear. In this proposal, we will design and prepare some typical structures of intrinsic perovskite film, compact TiO2/perovskite film, mesoporous TiO2 (or Al2O3)/perovskite film etc. The generation and recombination dynamics of intrinsic charge carries in the films would be studied by transient absorption spectroscopy. The impacts of the material and interfacial structure morphology of photoanode on carrier generation efficiency and recombination rate will be clarified, by studying the relevant charge dynamics in perovskite film with compact TiO2, mesoporous TiO2, mesoporous Al2O3, respectively. The correlation between electron/hole transfer and the dynamics of charge separation or/and recombination can be revealed, by researching the influences of diverse hole transport material, such as spiro-OMeTAD and P3HT, on the rate of charge generation and recombination. Combining with the charge transport dynamics in the devices of perovskite solar cells, the interfacial morphology and the material of both photoanode and hole transport material on the charge separation, transport and recombination dynamics will be studied. The crucial determinant of structure and dynamics on the overall power conversion efficiency will be clarified. Our research is expected to provide a guideline for the further material and structure optimization of the high efficient perovskite solar cells.

钙钛矿太阳能电池的优异性能引起了广泛关注，但目前对其光电转换过程尚缺乏系统了解。本申请首先设计制备系列钙钛矿本征薄膜、氧化钛致密层/钙钛矿、氧化钛或氧化铝介孔骨架/钙钛矿等模型结构，利用瞬态吸收光谱方法，在钙钛矿本征载流子生成和复合动力学基础上，研究致密层及介孔结构对钙钛矿载流子生成和复合速率的影响，揭示光阳极界面结构组成与载流子生成效率和复合速率的关系。进一步研究空穴传输层对钙钛矿载流子生成和复合速率的影响，阐明电子向光阳极注入及空穴向空穴传输层转移与电荷分离和复合动力学的关系。通过模型器件载流子传输动力学研究光阳极和空穴传输层界面结构组成对载流子传输、复合与收集速率的影响。探索光阳极/钙钛矿/空穴传输层界面结构组成与钙钛矿载流子生成、传输、复合和收集效率的关系，阐明影响光电转换效率的关键动力学因素。本项目研究结果将为高性能钙钛矿太阳能电池材料与器件结构优化提供新思路。

钙钛矿光伏器件是近年来发展迅猛的研究领域，其光电转换机制特别是光生载流子的动力学行为更是极具挑战的研究方向。本工作设计制备了多种钙钛矿本征薄膜、介孔/平面/倒置结构光伏器件，通过界面、形貌等层面调控，借助瞬态光电及时间分辨/温度依赖吸收/发光光谱，研究了从本征薄膜到光伏器件多个维度的本征属性及载流子复合动力学。主要包括：1) 利用变温荧光/吸收光谱和时间分辨荧光等光谱手段，探究了形貌对钙钛矿本征物理参数的影响；通过研究本征钙钛矿带隙内的缺陷态分布情况，以及带边/缺陷态的辐射复合过程，获得了辐射复合与非辐射复合的临界能、缺陷态捕获电子的脱附活化能和特征温度等重要热力学参量。2) 通过共价连接二聚体d-PCBM与PCBM共混，修饰电子传输层形貌，优化电子传输层/钙钛矿界面，实现促进界面电荷分离、抑制界面电荷复合的目的。3) 在钙钛矿光伏器件中，于介孔结构器件中，发现了两相式的电荷累积与载流子复合机制，进一步的研究发现各相中的缺陷态分布的情况显著影响两项式的复合过程，同时揭示了填充因子与缺陷态性质的内在联系；通过调控前驱体溶液中CH3NH3Cl的浓度来优化钙钛矿活性层的形貌，调控电子传输层与钙钛矿活性层之间的界面，探究了界面对平面钙钛矿太阳能电池的传输及复合动力学的影响。4) 对不同结构钙钛矿光伏器件进行了系统的时间分辨光电动力学分析，详细比较了不同器件结构对电荷累积、载流子传输和复合性质的影响，并讨论了钙钛矿器件中滞后现象可能的结构因素；同时对其工作条件进行了模拟，获得了工作电压下的功率输出，在开路、短路和工作条件下考察了瞬态光电转换动力学，揭示功率输出和动力学过程的相关性，表明功率输出是载流子复合和传输的竞争结果。上述成果是界面、形貌、结构等多方面因素影响钙钛矿光伏器件载流子动力学研究的有机组成部分，对深入理解其光电转化机理具有重要参考价值。