高效钙钛矿/有机两端叠层太阳能电池的研究

Perovskite solar cells have been showing great commercial potential due to their low-temperature solution-process, large-scale and low-cost production. Power conversion efficiencies have been widely reported to be exceeding 20%. However, the ultimate efficiencies will be in the Shockley-Queisser limit. One effective way to overcome this limitation is to make a tandem cell to expand its spectral response. Nowadays, two-terminal tandem solar cells based on perovskite/silicon, perovskite/CIGS, perovskite/perovskite have been reported. There exists, nevertheless, incompatibility with flexible substrates, not-all-solution processability, or much complicated technology. Regarding to these issues, we propose to develop highly efficient perovskite/organic two-terminal tandem solar cells by combining wide-bandgap perovskite absorbers with narrow-bandgap organic semiconductors. This project includes the optimization of single junction wide-bandgap perovskite and narrow-bandgap organic solar cells, the design and fabrication of robust electron/hole recombination layer, the fabrication and optimization of perovskite/organic tandem cells. The implementation of this project will provide a novel idea to build up tandem solar cells based on perovskites. Efficiencies with over 21% are expected to be achieved.

钙钛矿太阳能电池可通过低温溶液技术快速、大面积制备，成本低廉，极具商业潜力。虽然目前报道的效率普遍超过20%，但是其最终效率必然受到Shockley-Queisser极限的限制。而突破此极限的一个有效方法是制备两端叠层电池，拓宽光谱响应。目前，钙钛矿/硅、钙钛矿/铜铟镓硒、钙钛矿/钙钛矿两端叠层电池都有报道，但在制备方面存在与柔性衬底不兼容、不能够全溶液法制备、或者制备工艺复杂等问题。本项目拟通过结合宽带隙钙钛矿材料与窄带隙有机半导体，全溶液法制备高效率的钙钛矿/有机两端叠层太阳能电池。本项目的研究内容包括了单结宽带隙钙钛矿、窄带隙有机太阳能电池的制备及优化、稳定可靠的电子/空穴层设计制备和叠层电池的制备与性能优化。拟通过项目的实施，为设计基于钙钛矿的叠层太阳能电池提供一个新思路，预期得到光电转化效率超过21%的叠层电池。

虽然单结钙钛矿太阳能电池效率接近26%，但是其最终效率必然受到Shockley-Queisser极限的限制。突破此极限的一个有效方法是制备钙钛矿/有机两端叠层电池，拓宽光谱响应。本项目研究了碘化钾抑制宽带隙杂化钙钛矿的离子迁移，并使用共聚焦光致发光显微镜阐明了内在机理。研究表明，钾离子稳定了宽带隙混合卤化钙钛矿的晶体相，阻止了窄带隙钙钛矿相的形成，从而提高晶体质量，降低缺陷态密度，延长载流子寿命，最终实现了18.3%的能量转换效率和可忽略不计的回滞的宽带隙钙钛矿单结电池，并提高了器件的光稳定性；研究了宽带隙全无机钙钛矿太阳能电池的电子/空穴传输层。研究表明，采用Mg0.1Zn0.9O/ZnO作为电子传输层，PM6作为空穴传输层，有效地促进了光生载流子在界面处的转移、传输，从而降低了全无机钙钛矿太阳能电池的开路电压损失至0.58V；研究了掺杂硫氰酸铅（Pb(SCN)2）减缓高溴含量宽带隙钙钛矿的快速结晶，使钙钛矿晶粒长大、晶界减少，促进晶体取向生长，抑制卤化物相偏析。同时，使用噻吩乙胺盐酸盐（TEACl）与钙钛矿表面过量的碘化铅（PbI2）反应形成二维钙钛矿层。TEACl中的噻吩与钙钛矿中未配位的铅相互作用，氨基与钙钛矿中卤化物形成氢键作用，钝化表面缺陷，从而抑制了非辐射复合和卤化物相偏析。最终在带隙为1.79 eV的钙钛矿太阳能电池中，实现了1.26 V的开路电压和超过17%的能量转换效率。进一步与有机体异质结PM6:Y6构建了钙钛矿/有机两端叠层太阳能电池，得到了2.072 V的高开路电压和22.29%的能量转换效率。研究结果对实现高效光稳定的钙钛矿/有机两端叠层太阳能电池有重要指导意义。