CsPbI3钙钛矿相稳定性的掺杂改性、表面钝化及全无机钙钛矿太阳能电池器件制备的研究

So far, even though very high power conversion efficiency of 22.1 % has been obtained for organic-inorganic hybrid perovskite solar cells, the industrial application is still limited due to lacking of long-term air and heat stabilities. To overcome these problems, we will study the preparation of CsPbI3 all-inorganic perovskite solar cells, and investigate the relationship between the structure and performance in this project. The main research contents include four aspects. First, we will study the preparation method and performance of inorganic perovskite quantum dots and films. Second, we will prepare inorganic perovskite films by nanocrystal seeds induction methods, and study the film preparation method and the relationship between the structure and performance. Third, we will study the mechanism of improving cubic -phase stability by cation doping. Fourth, we will study the unpaired ion passivation method of inorganic perovskite films’ surface to reduce the interface and surface defect density. There are three main innovation points. First, one new preparation method of CsPbI3 film by nanocrystal seeds induction will be developed to adjust film’s grain and grain boundary. Second, A-site cation doping in CsPbI3 film will be used to reveal the mechanism of cubic phase stability adjusted by the radius changes of substituted ion. Third, a new aminated pyridine graphene material with multi-coordination points will be prepared to develop its application in passivating inorganic perovskite photosensitive layer.

目前，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池虽然获得了高达22.1%的能量转化效率，但是缺乏长期空气稳定性和热稳定性限制了其走向产业应用。为了克服该难题，本项目拟开展CsPbI3系全无机钙钛矿太阳能电池的制备、结构与性能关系的研究。主要研究内容：无机钙钛矿量子点及其薄膜的制备与性能研究；采用纳米晶种诱导法制备无机钙钛矿薄膜，研究薄膜材料的制备、结构与性能的关系；研究阳离子掺杂用于提高钙钛矿立方相结构稳定性的机理；研究无机钙钛矿薄膜表面未配对离子的钝化方法，以有效减少钙钛矿薄膜的界表面缺陷。主要创新点：发展一种晶种诱导CsPbI3薄膜制备的新方法，以调节薄膜的晶粒和晶界结构；研究CsPbI3的A位阳离子掺杂改性，揭示取代离子半径变化调控钙钛矿立方相稳定性的机理；设计制备一种具有多配位点的胺基化吡啶石墨烯新材料，发展其在钝化无机钙钛矿光敏层中的应用。

本项目针对如何提高全无机钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性的关键科学问题，开展了钙钛矿层制备、电子/空穴传输层优化、界面缺陷钝化、器件封装等方面的工作。项目研究按计划进行，主要研究进展包括：1）设计了新的路易斯酸分子TPFP，通过对混合离子钙钛矿/空穴传输层界面钝化，获得了22%的效率和半个月的湿度稳定性，器件性能提升和微观载流子输运分析证明了有效的界面缺陷钝化作用。通过分析降解前后的晶相、形貌和组分，准确鉴定出混合离子铅卤化物钙钛矿薄膜的中间降解产物为富I的黑相和富Cs/Br的黄相，并最终揭示了混合离子铅卤化物钙钛矿的湿度降解源于Cs与卤素离子的协同迁移所导致的相分离。2）采用太阳能电池器件模拟软件SCAPS模拟了不同界面态密度对器件性能的影响，结合实验结果比较了两种带隙1.61 eV和1.53 eV器件的能级损失和界面陷阱导致的非辐射复合特征。1.61 eV器件具有高的开路电压1.12 V和低的能级损失0.02 eV，归结于其更低的界面陷阱密度3.2×1013 cm-2。3）使用氨基酸分子修饰SnO2电子传输层表面，诱导钙钛矿生长，降低了底界面缺陷密度。4）采用开尔文探针显微镜（KPFM）从微观层面揭示钙钛矿纳米片的载流子输运过程，分析不同的光生电荷耦合效应。5）制备了CsPbBr3纳米晶/传输层异质结光电导、CsPbBr3纳米晶薄膜二极管探测器，研究了光生载流子在异质结界面的输运。6）合成高稳定性全无机钙钛矿量子点，无机氧化物Al2O3和TiO2作为壳层能有效包覆钙钛矿量子点，获得高的光照、水、热稳定性；碱金属离子作为修饰层钝化钙钛矿量子点表面也可以提高稳定性。.本项目研究在国际高水平学术刊物上共发表 SCI 论文 30余篇（影响因子IF>15的4篇，IF>5的20篇，ESI论文2篇），其中包括Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Mater. Today Energy, Solar RRL, ACS Appl. Mater. Interfaces，Chem. Comm.，Nanoscale，J. Mater. Chem. C等，论文得到国际一流学术期刊的重点引用，SCI 他引超过 600 次。本项目研究获得授权专利2件。项目期间，我作为项目负责人获得陕西省自然科学二等奖1项，是第一完成人。