基于高功函介孔碳对电极的可印刷钙钛矿太阳能电池研究

Low-cost carbon counter electrode based printable perovskite solar cells, due to their low material cost and low fabrication cost, meet the market demand for low-cost photovoltaic technology. In this proposal, it is expected to develop a high-work-function mesoporous carbon counter electrode and apply it in printable perovskite solar cells. Firstly, we need to adjust the composition of the mesoporous carbon counter electrodes and achieve controlling the micro-structure of the electrodes. Then, we need to optimize the mesoporous carbon counter electrodes with doping and surface modification to increase their work function. Finally, we need to match the energy levels and optimize the interfaces of the high-work-function mesoporous carbon counter electrodes based printable perovskite solar cells, and find out the relationship between the material structure and the device performance. After that printable perovskite solar cells with open-circuit voltage of up to 1.0 V and power conversion efficiency of up to 15% should be obtained.

基于廉价介孔碳对电极的可印刷钙钛矿太阳能电池，其材料成本及制造成本低，适应了光伏市场对廉价太阳能电池技术的需求。本项目拟开发一种具有高功函的介孔碳对电极并应用在可印刷钙钛矿太阳能电池中。首先，通过对介孔碳对电极的材料组成进行调整，实现对介孔碳对电极微观结构的调控；然后，对介孔碳对电极进行掺杂和表面修饰改性，以提高其功函；最后，对基于高功函介孔碳对电极的可印刷钙钛矿太阳能电池进行能级匹配和界面优化，厘清材料结构与器件性能之间的关系，获得开路电压达到1.0 V、光电转换效率达到15%的可印刷钙钛矿太阳能电池。

本研究围绕钙钛矿太阳能电池光电转换相关基础科学问题，以材料设计及制备为基础，探索了在廉价条件下获得高效钙钛矿太阳能电池的新方法。主要研究内容包括：（1）通过对常规介孔碳电极材料进行掺杂和引入超薄石墨等调控了介孔碳对电极材料的功函数、微观结构和导电性等，有效提升了可印刷钙钛矿太阳能电池的开路电压；（2）通过调控可印刷钙钛矿太阳能电池的电荷传输层等内部界面，揭示了器件界面性质与器件性能的关系及作用机制；（3）通过在常规钙钛矿吸光材料中引入多功能添加剂，优化了钙钛矿吸光材料在介孔膜中的结晶及生长，有效提升了器件的光电转换效率；（4）对钙钛矿太阳能电池研究领域的关键问题进行了评述、总结及展望。通过材料、结构、工艺、机理等方面的研究，获得了一系列研究成果，在Science、Energy & Environmental Science、Journal of Physical Chemistry Letters、Journal of Materials Chemistry A、Journal of Physical Chemistry C等杂志上发表论文10篇，申请国家发明专利5项。本研究除完成计划研究内容以外，还根据实际研究结果对研究内容进行了一定程度的延展。研究表明，对于获得高效钙钛矿太阳能电池这一关键科学问题，除需要优化介孔碳对电极材料及器件内部界面以外，还需要提升钙钛矿吸光材料在介孔膜中的结晶质量。该问题的提出和初步探索，为进一步提升可印刷钙钛矿太阳能电池性能提供了新的技术策略和研究方向。