钙钛矿/聚合物级联半透明太阳能电池的构筑及其性能调控

Building integrated photovoltaic (BIPV) is one of the most important fields of solar photovoltaic applications in the future. Semitransparent solar cells (STSC) with low cost and high power conversion efficiency (PCE) are key for developing the BIPV technology. At present, provskite STSC exhibit inferior color rendering, while organic STSC show low PCE. In view of the present disadvantage of STSC, in this project, we will construct the casecade photosensitive layers of.provskite/polymer:fullerence with doping n-type or p-type carbon nanotube in blend layer of polymer:fullerence, and combine with the photon management structure of one-dimensional tandem photonic crystals, to distribute reasonably and use fully solar light in wavelength range of 300-900 nm. At the same time, the excellent electrical performance will be expected to obtain by optimizing the micro-nano structure of photosensitive layers and introducing carbon nanotube. The final focus is on the realization of STSC with high PCE and high visible-light transparency and good color rendering. Based on the proposed device structure, we will probe the formation mechanism of double photonic band gap of the photon management structure and its effect on light trapping and light transmission of devices, explore the effect of carbon nanotube on self-assembly behavior of blend layer of polymer:fullerence and clarify the effects of micro-nano structure of photosensitive layer on the excitons generation/diffuse/separation and charge transport/recombination/collection. The experimental and theoretical outcomes of this project will offer the scientific basis and technology support for the realization of low-cost building integrated photovoltaic application.

光伏建筑一体化（BIPV）是未来太阳能光伏应用最重要的发展方向。发展BIPV技术的关键是研发低成本、高效率的半透明太阳能电池（STSC）。本项目针对目前钙钛矿STSC显色性差及有机STSC光电转化效率低的不足，提出构建钙钛矿/聚合物-富勒烯双层级联光敏层，利用一维级联光子晶体的双光子禁带特性对光场进行有效调控，实现对300-900 nm 波段太阳光的合理分配和充分利用；利用掺杂型碳纳米管的高效选择性导电特性及光敏层微纳结构的调控改善电池的电学性能；最终实现具有高光电转化效率、高可见光透明度及优良显色性的STSC。阐明一维级联光子晶体对电池的光俘获、光透射的调控机理及规律；探明碳纳米管对聚合物:富勒烯共混层自组装行为的调控机制，揭示级联光敏层的微纳结构对激子的扩散与解离、载流子的传输、复合、收集行为的影响规律。为低成本、高效率STSC的光伏建筑一体化应用提供重要的科学依据和技术支撑。

光伏建筑一体化（BIPV）是未来太阳能光伏应用重要的发展方向，发展BIPV技术的关键是低成本、高效稳定半透明太阳电池（STSC）的研发。本项目围绕STSC所面临的关键核心问题开展了系列研究，并取得了创新性的研究成果。主要包括三个方面：（1）基于溶剂工程，调控活性层的结晶生长，发展高效、稳定太阳电池；（2）利用表面界面工程发展太阳电池新结构，提出提高效率、抑制老化的解决方案；（3）基于电极工程，借助于光操控，实现性能优良的STSC。.发展的醇类反溶剂技术，有效调控了钙钛矿中间相的形成，结合后溶剂退火，制得了光滑、致密、大晶粒分布的高质量薄膜，提高了载流子的传输，取得了大于17%的光电转化效率（PCE）；以MAPbI3薄膜为模板，采用HBr+DMSO蒸汽退火和甲胺蒸汽修复工艺制备了高质量的钙钛矿薄膜，获得了高的开路电压和填充因子，稳定性优于传统方法制得的器件。通过静电纺丝工艺，制备了均匀有序的CuO纳米线界面层，提高了空穴传输和抽取，性能明显优于参考器件。利用DBP修饰载流子传输层界面，加速载流子界面提取，有效减少非辐射复合，提高了开路电压和填充因子，最佳PCE为21.49％；DBP也改善了电池的稳定性。利用喷涂法制备了银纳米线与氧化锌复合透明顶电极，实现了STSC的全溶液制备，取得了 11.13%的PCE和 23.3%的平均透射率，与单纯的银纳米线STSC相比性能大幅提升。为实现透明阴极/钙钛矿和透明阳极/钙钛矿界面处有效的电荷提取，系统研究了不同阴极缓冲层和空穴传输层对STSC性能的影响机理，得出使用BCP 阴极缓冲层和PTAA空穴传输层的STSC，从ITO阳极测得的平均PCE为13.53%，从Ag/MoO3阴极测得的平均PCE为9.92％，平均可见光透明度为21％。上述研究为实现高效稳定的STSC提供了多种有价值的解决方案，对其中微观机理的认识为STSC的研发提供理论指导。