柔性大面积SnO2薄膜平面异质结钙钛矿太阳电池的光电转换性能及载流子传输机理

This project intends to use the water bath method and the improved spin coating method to prepare rutile phase SnO2 thin film at low temperature and study the microscopic mechanism to improve the electron transport layer performance of the perovskite solar cells. The supercritical fluid treatment and Cl ion treatment are proposed to modify the interfaces between the substrate/SnO2/perovskite crystals and passivate the defects, respectively. A hetero junction between them with corresponding energy level structure is expected to be established to facilitate the rapid electron transfer and transmission, and suppress charge recombination to the most degree to reduce the electron conduction loss. Meanwhile, the modulation mechanism of grain size, grain boundary, band structure, carrier mobility and diffusion length by using the mixed cations (Cl, Br doping), Cs (and/or Rb) doped halides perovskite (CH3NH3PbX3 mixed with HC(NH2)2PbX3) composited with PCBM will be investigated systematically, to enhance light absorption and accelerate carrier separation and transmission. Through this study, the flexible large area planar heterojunction perovskite solar cells with the comprehensively promoted photoelectric conversion performance, the remarkably reduced current hysteresis, and the improved stability would be yielded.

本项目拟采用我们提出的水浴法和改进的浆料旋涂法低温大面积制备金红石相SnO2薄膜，研究其提升钙钛矿太阳电池电子传输层性能的微观机制。通过超临界流体处理与Cl离子表面处理等对衬底/SnO2薄膜/钙钛矿晶体之间的界面进行修饰与缺陷钝化，在它们之间构筑有利于电子快速转移与传输，且电荷复合得到最大程度抑制的异质结界面及与之相匹配的能级结构，降低电子传导损失。深入研究采用卤素(Cl、Br)掺杂、Cs（与/或Rb）A位掺杂、CH3NH3PbX3和HC(NH2)2PbX3混合，并与PCBM多元复合调控钙钛矿晶粒大小、晶界、能带、载流子迁移率及其扩散长度的机制，增强光吸收、加速载流子分离与传输。综合提升基于SnO2薄膜的柔性大面积平面异质结钙钛矿太阳电池的光电转换性能，显著减弱电流回滞，提高稳定性。为其实用化奠定一定的理论与实验基础。

高效、长期稳定、大面积制备、兼容柔性工艺是高效钙钛矿太阳电池商业化进程中面临的主要挑战。针对这些问题，项目以器件的关键功能层之一——SnO2电子传输层为切入点，通过水处理、SnCl4水浴处理等方法对SnO2电子传导层进行预处理和表面修饰，实现了致密、平整、无针孔SnO2电子传输层的制备，提升了钙钛矿电池的能量转换效率（达到19.6%），未封装器件在空气中的稳定性也得到明显改善（60天保留初始效率的92%），并抑制了正反扫的回滞现象（几乎零回滞）。通过在SnO2胶体纳米颗粒溶液中引入氨水络合，将SnO2电子传输层应用到大面积钙钛矿电池中，氨水络合不仅提高了SnO2薄膜的导电性，同时促进了SnO2的成核生长，降低了与钙钛矿晶体结合的界面能，有效降低了钙钛矿薄膜内部缺陷，转化效率达到20.53%，大面积器件（1 cm2）效率也达到了18.12%，几乎无回滞。在氨水络合的基础上进一步采用双电子传输层设计，实现了基于SnO2电子传输层的高效、大面积、柔性钙钛矿太阳电池。柔性电池的光电转换效率达到18.08%，大面积（1 cm2）柔性电池效率达到15.18%，器件在弯曲度测试中具有很好的机械稳定性。项目对钙钛矿活性层及其与电子传输层接触的界面也进行了系统优化。通过低压辅助生长获得多孔PbI2前驱体薄膜，实现了在相对湿度高的空气环境中制备致密、平整、高质量钙钛矿薄膜，获得了转换效率达21.4%的钙钛矿光伏器件。采用液晶分子修饰钙钛矿晶界，提高了SnO2基混合钙钛矿太阳电池的填充因子和稳定性，获得了20.19%的转换效率。类似的表界面修饰策略拓展到TiO2 纳米棒阵列电子传输层也取得了较好的效果，最高转换效率达21.89%；将项目中采用的电子传输层和钙钛矿层的优化策略拓展到钙钛矿光电探测器领域，器件也展示了良好的探测性能和达5000h的优异稳定性。该项目的研究结果具有很好的原创性和普适性，对钙钛矿光电器件的性能优化和商业化进程具有重要的科学意义。