准二维钙钛矿材料体系及太阳能电池器件研究

The biggest challenge in the area of organic-inorganic hybrid perovskite is the stability problem, including both thermal instability and moisture instability. The project will investigate the inorganic quasi-2D {(A)2Cs(n-1)PbnX3n+1} perovskites, which possess good thermal and moisture stability. We will focused on the following areas: the synthesis of bulk quasi-2D perovskites; the relationship between their crystal structure and physical properties; the synthesis of quasi-2D perovskite quantum dots and their self-assembly process; device structure and fabrication procedure for highly stable and efficient inorganic quasi-2D perovskite solar cells. Through controllable synthesis, self-assembly, device fabrication and encapsulation, we aim to obtain highly highly efficient inorganic quasi-2D {(A)2Cs(n-1)PbnX3n+1} perovskites photovoltaic device with PCE>18%, furthermore, the device should be able to work at least 1000 hours with less than 10% degradation under at least 60℃ with humidity more than 50%.

稳定性问题是有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池领域发展所面临的重大挑战，主要包括器件的热稳定性和湿度稳定性两方面。本项目聚焦具有良好热稳定性和湿度稳定性的无机准二维{(A)2Cs(n-1)PbnX3n+1}钙钛矿材料，重点研究无机准二维钙钛矿体相材料的合成方法；无机准二维钙钛矿材料结构与性能间的构效关系；无机准二维钙钛矿量子点的合成方法学及高质量成膜技术；高效高稳定性无机准二维钙钛矿太阳能电池的器件结构和制备工艺等四方面的内容。本项目拟通过材料的可控合成、薄膜的有序自组装、器件制备工艺的优化和物理封装工艺的探索等几方面的努力，获得光电转换效率(PCE)在18%以上的基于无机准二维{(A)2Cs(n-1)PbnX3n+1}钙钛矿材料体系的太阳能电池器件，并且该电池器件可以在不低于50%湿度，60℃温度下连续工作时间不少于1000小时，且保证该过程中器件的光电转换效率衰减度不超过10%。

准二维钙钛矿具有比三维钙钛矿更好的稳定性和结构可拓展性，同时继承了三维钙钛矿优良的光电性质，有望实现高稳定的钙钛矿太阳能电池器件，近年来，得到了研究者的广泛关注。本项目按照预定研究计划，围绕新型准二维钙钛矿材料的设计与合成，准二维钙钛矿材料薄膜结晶动力学过程与载流子复合动力学过程机制的理解，高性能准二维钙钛矿光电转换器件尤其是太阳能电池器件的构筑，开展了一系列研究工作。. 具体研究内容与成果包括。1）首次利用准二维结构，成功稳定了亚稳态纯无机CsPbI3钙钛矿材料，显著提升了器件效率与器件稳定性，获得了效率超过12%的纯无机钙钛矿太阳能电池器件；2）与北京光源合作利用GIWAXS技术，系统研究了准二维钙钛矿薄膜的取向生长情况。发展了结晶过程调控新方法，获得了高垂直取向的准二维钙钛矿薄膜；3）深入研究了准二维钙钛矿薄膜内部的梯度能级分布情况。结合材料设计，实现了具有准单一能级的准二维钙钛矿薄膜的制备，获得了光电转换效率超过18%的准二维钙钛矿太阳能电池器件；4）首次将手性配体引入准二维钙钛矿结构中，观察到了手性配体到钙钛矿骨架之间的手性传递现象，从而实现了手性准二维钙钛矿材料的构建；5）详细研究了准二维钙钛矿材料内部的载流子复合过程，提出快速的俄歇复合过程将显著降低材料内部的辐射复合效率。在此基础上，发展新的准二维钙钛矿材料体系，成功抑制了材料内部的俄歇复合过程，获得了具有高辐射复合速率的准二维钙钛矿材料体系；6）将卤-卤键引入到准二维钙钛矿材料中，用来抑制混合卤素钙钛矿材料严重的离子迁移。发现卤-卤键的引入，显著提高了材料的离子迁移势垒，降低了离子迁移速率，从而显著改善了混合卤素钙钛矿的稳定性。. 通过项目的顺利实施，系统研究了准二维钙钛矿材料的构效关系，高质量薄膜的调控、构筑方法，实现了高性能太阳能电池器件，获得了一系列原创性科研成果，圆满完成了项目预定目标。本项目的实施，为后续高性能、高稳定性钙钛矿太阳能电池器件的规模化应用，奠定了坚实基础。