高性能钙钛矿固态太阳能电池的研究

Solid-state solar cells based on ABX3 perovskite materials is the preferred device owing to high efficiency, low cost, clean and long life. However, so far, the present work is still at its preliminary stage and studies of many issues need to be urgently deepened. In this proposal, we will design and develop ABX3-ABX3 combinations, which can fully bring their advantage as absorbers and hole-transport materials (HTMs) respectively, to improve photo-sensitivity and hole-transport properties and thus increase the light absorption in Vis-IR region. The interface and electron-transfer performance of ABX3-TiO2 and ABX3-SiO2 will be investigated by improving the surface properties of TiO2 and SiO2 including active facets, surface area and optical parameters. It will reduce the energy loss in the light-excitation and electron-transfer processes, which is beneficial to exploit high-voltage solid-state solar cells. Its photon-to-electron conversion efficiency will be enhanced to a new level by optimizing the structure and pore features of TiO2 or SiO2 for improving their light transmission, reducing surface light scattering and increasing light absorption. Moreover, the initial theory will be formed, relating to photon-to-electron excitation, electron transfer and hole transport, via the detailed photoelectrochemical investigation.

ABX3钙钛矿固态太阳能电池具有高效、低值、环保和长寿命等特点，是未来首选的实用型光伏器件之一。由于该类光伏器件的研究尚处于初步研究阶段，对许多关键问题的理论研究亟待进一步深化。本工作拟利用ABX3材料的光敏和空穴传导特征，开发新型的ABX3-ABX3组合，使其电子传导和空穴传导性能得到进一步提高，有效增加对可见-红外光区的光电转化。通过改善TiO2或支撑材料SiO2的界面特征，如活性面、表面积和光学性能，考察ABX3-TiO2或ABX3-SiO2界面作用特征和电子传递速率，降低光激发和电子传导过程中的能量损失，开发具有高电势的全固态低值太阳能电池。进一步优化TiO2或SiO2的结构和孔道特征，提高材料的透光性，降低表面散射光的损失，提高入射光的吸收率，将器件的整体光电转化效率提高到一个新的水平。通过光电化学研究分析，初步形成基于该新型器件结构的光-电激发、空穴传导和电子传输的基本理论。

ABX3钙钛矿固态太阳能电池具有高效、低值和制备简单等特点，是未来首选的新型光伏器件之一。介观层方面，我们利用氟化铵作为结构诱导试剂，制备了骰子状超细TiO2,颗粒大小小于20纳米，其组装的二氧化钛介观层具有较高的散射性能，结合透明性二氧化钛浆料制备出了“超细-超细”TiO2组合介观层，相关结果发表在Solar Energy Materials and Solar Cells 2015, 134, 133-139。通过月桂酸LA-DMEA溶剂体系制备了TiO2-DMEA-LA 纳米长方体，该体系具有较好柔性表面和硬质二氧化钛核，具有较好的分散性能、组装性能和催化性能，相关结果发表在Solar Energy Materials and Solar Cells 2016, 157, 139-145。我们制备了制备了Co基和Ni基复合二氧化硅超薄纳米片和空心纳米二氧化硅球。钙钛矿材料方面，我们成功合成了一系列用于合成甲胺基钙钛矿材料（MAI、MACl、MABr、PbI2、PbBr2、PbCl2）和多种钙钛矿单晶材料（MAPbI3、MAPbBr3、MAPbCl3）。研究了不同温度和时间对钙钛矿结晶性能的影响。制备了室温稳定的立方相MAPbI3钙钛矿单晶，单晶尺寸接近2 cm，结果发表在CrystEngComm 2016, 18 (28), 5257-5261。相关工作被牛津大学Henry J. Snaith等在Nature Communications等期刊引用。通过掺杂溴和氯制备了一些了不同发射光谱的钙钛矿单晶。钙钛矿电池器件方面，我们利用一步法、二步法制备了介观和平面钙钛矿太阳能电池结构和制备方法。利用一步法低温钙钛矿太阳能电池，光电转化效率达12%，通过热处理和甲苯抗溶剂结晶使得效率提高到15.7%。此外，通过控制溴掺杂，可以适当的提高器件的稳定性能和开路电压，使效率提高到16%。通过对介观层材料、钙钛矿材料和器件的研究，将有利于深入研究钙钛矿太阳能电池的工作机理和提高光电性能。