钙钛矿的导电类型调控及其与电荷传输层界面能带结构的协同优化研究

Polarity of a semiconductor material refers to the capability of the semiconductor material itself to be doped and the conductivity type to be controlled. Controllable electronically active doping can effectively control the majority carriers and conductivity types of semiconductor materials, thereby forming homogenous or heterojunction, which is the core of optoelectronic devices. As semiconductor, the polarity of perovskites can have a major impact on the performance of perovskite solar cells by regulating the heterojunction interface band structure and its rectifying properties. Combining existing work and using a combination of device simulation and experiment, this project will focus on the effects of external doping on perovskite polarity, interfacial band structure and perovskite solar cell performance; Interface defect passivation synergistic optimization of interface band structure and device performance. This project will establish the specific relationship between the polarity of perovskite, the perovskite/charge transport layer hetero-interface band structure and device performance, promoting further understand the working principle and improvement of perovskite solar cells.

半导体材料的极性是指半导体材料自身被掺杂和导电类型被调控的能力。可控的电子学活性掺杂能够有效控制半导体材料的多数载流子和导电类型，由此形成同质或异质结，并构成光电子器件的核心基础。作为半导体材料，钙钛矿的极性能够通过调控异质结界面能带结构及其整流特性对钙钛矿太阳电池的性能产生重大影响。结合已有工作并采用器件模拟和实验相结合的方法，本项目将着重研究外掺杂对钙钛矿极性、界面能带结构和钙钛矿太阳电池性能的影响；辅助研究外掺杂及界面缺陷钝化对界面能带结构和器件性能的协同优化。本项目将建立钙钛矿的极性控制、钙钛矿/电荷传输层异质结界面能带结构和器件性能三者之间的具体关联，为进一步认识钙钛矿太阳电池的工作原理和提升器件性能提供有益的理论指导和实验依据。

“双碳”背景下，高效低廉的钙钛矿太阳电池备受关注和研究。钙钛矿吸收层和电荷传输层异质结界面的能带结构及其整流特性对器件光伏性能具有重大影响，而这可以通过控制钙钛矿吸收层的掺杂类型和浓度、界面缺陷钝化和界面能级优化而加以调控。鉴于此，本项目的研究内容主要包括钙钛矿的导电类型调控、钙钛矿/电荷传输层异质结界面的能带结构优化和基于该异质结的太阳电池等光电器件性能研究。该项目实现了整流性能优良的钙钛矿基p-n异质结，系统发展了高效简化、较为稳定的无金属氧化物电子传输层钙钛矿太阳电池，提出了MINP结构钙钛矿太阳电池和“智能光伏器件”的新概念，丰富了钙钛矿太阳电池的结构设计，加深了人们对钙钛矿太阳电池基本工作原理的认识。该项目的重要结果、关键数据及其科学意义等体现在：该项目通过过量碘化铅引入钙钛矿前驱体实现了n型掺杂的钙钛矿以及n型钙钛矿/p型空穴传输层p-n异质结原型器件的构建，进一步通过对透明导电氧化物前电极(TCO)的绝缘偶极材料修饰，协同地实现了TCO/n型钙钛矿界面的能级对准优化和缺陷钝化，率先实现了效率20.5%的无金属氧化物电子传输层钙钛矿太阳电池；系统研究了被偶极绝缘界面材料修饰的ITO表面有效功函数的变化，揭示了极性超薄绝缘层的厚度对ITO/钙钛矿界面能级对准进而器件性能的影响，发现极性超薄绝缘层能够保证该界面的欧姆接触，引入MIS结作为电子选择性接触，设计和构建了具有MINP结构的高效无电子传输层钙钛矿太阳电池原型器件，该结构能够结合p-n结和MIS结太阳电池的优势，从而显著提升了无电子传输层钙钛矿太阳电池的器件性能；基于自诱导生长制备了表面电势均匀而残余PbI2可从表面转移到晶界处的新型高性能FA0.9Cs0.1PbI3-xClx钙钛矿材料，由此制备的无电子传输层钙钛矿太阳电池无需界面修饰效率可达17.48%；深入研究发现，该类钙钛矿具有较高的载流子寿命，这使得光生电子有足够的时间被ITO收集，为后续工作提供了新的方向。