基于有机离子盐/无机纳米材料的杂化界面在钙钛矿电池中的应用

With the high demand of new energy and the fast development of hybrid perovskite photovoltaic device, we plan to study the controlled preparation and performance controlling of interfacial nanostructure of perovskite solar cell. The project aims to resolve the interfacial problems such as poor conductivity and complicated technology. We plan to combine the organic ionic salts and inorganic nanomaterials and try to regulate the size, morphology and conductivity etc to investigate the property change of hybrid interfacial layer and its effect on the perovskite device performance. And we will find the parameters for building hybrid layer to improve the device performance and try to figure out the relationship between the size of the perovskite nanostructure and morphology of the hybrid layer below. Moreover we will investigate the different blend ratio, the selection of ionic type, different kinds of inorganic semiconductor nanomaterials, morphology control of hybrid thin layer to obtain favorable interfacial property of perovskite solar cell. We will use the experiences from organic solar cell to apply into perovskite solar cell to promote the device performance. The accomplishment of this project will be beneficial to both the preparation of hybrid optoelectronic materials and interfacial engineering of perovskite photovoltaic device.

伴随对可再生能源的巨大需求以及近年来钙钛矿杂化光伏器件的迅猛发展，我们拟在钙钛矿器件的界面层纳米结构的可控制备和性能调控方面开展研究。针对界面层导电性差、工艺复杂等问题，我们利用有机离子盐与无机纳米材料结合，以调控杂化纳米结构的形貌、尺寸、电导等方式研究杂化界面层性质变化对器件性能的影响，找出提高器件性能的杂化界面制备条件，归纳出控制钙钛矿晶体结构条件与衬底杂化薄膜形貌的关联性规律。本项目拟利用杂化界面层各组分的比例变化、离子盐类型的选择、不同的无机纳米材料种类以及杂化薄膜形貌改变等手段，将我们在有机光伏界面修饰方面的工作基础应用于钙钛矿电池，实现对钙钛矿电池界面性质的改善，使器件能量转换效率有效提升。该项目的完成将对杂化光电材料的设计和制备提供一些新的参考，为进一步拓展钙钛矿器件界面工程夯实基础。

太阳能电池被认为是解决当前能源危机与环境污染的有效科技手段之一。以钙钛矿材料为活性层的太阳能电池器件因其低成本和优异的光电性能而广受关注，电池效率接近商用单晶硅太阳能电池，已经开始产业化推进。项目围绕钙钛矿太阳能电池的杂化界面材料的可控制备与性质调控展开，从界面修饰角度切入，深入探究了杂化纳米材料的可控制备到太阳能电池器件性能优化及工作机制，通过调控不同有机/无机纳米材料间的相互作用提高了器件的电荷传输性能。项目执行期间，我们低成本制备了无机金属半导体纳米材料，在低温条件下简易方法合成铜锌硫和锌镉硫纳米晶，将其应用于钙钛矿电池的界面层，器件性能得到明显改善。在探索无机金属氧化物纳米材料的可控制备过程中，我们成功制备得到氧化锌、氧化锡、氧化钒纳米材料，通过功能化修饰方法，将其用于钙钛矿太阳能器件和有机太阳能器件的界面层，得到了电学性质优良、薄膜形貌可控的杂化界面层材料。同时，我们也尝试了新型有机界面材料在太阳能电池中的应用，研发了四硫富瓦烯衍生物TTA和TTF-py空穴传输层材料、硬脂酸盐电子传输层、富含官能团的葡萄糖和P3CT-ED界面层材料。此外，我们在太阳能电池器件中引入石墨炔材料体系，有效调控了太阳能电池的电子和空穴界面性能，并成功构筑了高效钙钛矿光伏器件（效率突破21%）和有机光伏器件（效率突破17%）。该项目成果为实现器件制备工艺简化、器件性能优化提供新的研究方法与思路，为进一步拓展碳基材料在光伏器件中的应用夯实了基础。