高效稳定全二维钙钛矿叠层太阳能电池的制备与性能研究

Two-dimensional (2D) Ruddlesden-Popper organic-inorganic perovskites have been attracting great attention due to their excellent environmental stability. However, the power conversion efficiency (PCE) of 2D perovskite solar cells is still low about 13%. A multi-junction or tandem structure, comprising multiple absorber layers with complementary bandgaps, offer a proven approach to reach significantly higher performances. Therefore, to further improve the efficiency of the 2D perovskite solar cells, this proposal will be focused on developing two-terminal all-2D perovskite tandem cells, details are included as follows: (1) To develop large band gap (about 1.8 eV) Pb-based 2D perovskites and narrow band gap (about 1.2 eV) Pb-Sn based 2D perovskites for high-efficiency cells; (2) To develop efficient charge recombination layer with high charge collection and compatible processing; (3) To systematically optimize the tandem device structure for high-efficient all-2D perovskite tandem cells. With the study above, the photovoltaic performance above 15% is expected for 2D perovskite solar cells.

二维Ruddlesden-Popper型有机-无机杂化钙钛矿因具有比三维钙钛矿高的环境稳定性，成为光伏领域研究的热点之一。然而，目前二维钙钛矿太阳能电池效率仅为13%左右。叠层太阳能电池是提高效率最直接有效的方法之一。在前期叠层电池技术积累基础上，本项目拟首次开展全二维钙钛矿叠层电池的制备与性能研究，围绕带隙匹配的子电池、高效电荷复合层以及叠层器件结构等三个方面开展具体工作：（1）宽带隙（1.8 eV 左右）铅基二维钙钛矿和窄带隙（1.2 eV 左右）铅-锡合金型二维钙钛矿子电池制备与性能研究；（2）发展具有高效电荷收集和良好工艺兼容性的电荷复合层；（3）在子电池、电荷复合层研究基础上，拟主要从光学匹配、工艺兼容性等方面协同优化叠层电池结构。通过以上研究，构建全二维钙钛矿叠层电池，实现光电转换效率超过15%的高效稳定二维钙钛矿太阳能电池。

二维有机-无机杂化钙钛矿因具有比三维钙钛矿高的环境稳定性，成为光伏领域研究热点之一。然而，二维钙钛矿太阳能电池效率仅为13%左右。叠层太阳能电池是提高效率最直接有效的方法之一。在前期叠层电池技术积累基础上，本项目首次开展全二维钙钛矿叠层电池的制备与性能研究，围绕带隙匹配的子电池、高效电荷复合层以及叠层器件结构等三个方面开展具体工作：（1）宽带隙铅基二维钙钛矿和窄带隙铅-锡合金型二维钙钛矿子电池制备与性能研究；（2）发展具有高效电荷收集和良好工艺兼容性的电荷复合层；（3）在子电池、电荷复合层研究基础上，主要从光学匹配、工艺兼容性等方面协同优化叠层电池结构。目前，通过理论与实验结合的方式，首次初步定性的证实了多元A位阳离子调控可以有效提高二维钙钛矿薄膜的热稳定性，同时通过引入适当过量的PbI2进一步钝化了二维钙钛矿晶界，减少了缺陷，降低了载流子复合，因此获得了高达15.58%的光电转换效率。该子电池同时具有优异的热稳定性，在85oC高温测试条件下经过1400小时仍可保持初始效率的80%，且具有优异的水和光照稳定性。此外，开发了一种新型的导电聚合物空穴层材料，将效率进一步提高至17%以上，同时其在叠层电池上具有优异的性能。此研究为高效、高稳定的全二维钙钛矿电池提供了材料基础和理论依据。