通过抑制有机无机钙钛矿的离子迁移和扩散增强钙钛矿光伏器件的稳定性

At present, the most urgent problem that hinders the practical application of perovskite solar cell technology is the poor stability of the device under working conditions. It is shown that the performance of the device is easily affected by the electric field, and the device performance declines rapidly under the sunlight irradiation and the higher working temperature. Recent progress has shown that ion transport in organic-inorganic perovskite and the diffusion of ions toward the adjacent carrier transport layer are important reasons for the decline. The following three key issues are derived as follows: (1) what are the mechanisms of the migration of ions in the organic-inorganic perovskite and the mechanism to diffuse to other functional layers? (2) how to weaken and suppress ion migration in organic-inorganic perovskite? (3) how to prevent these ions from diffuse to adjacent functional layers (electron transport layer and hole transmission layer)?.This project will closely focus on the three key issues. Through theoretical calculation and experimental verification, the goal is to obtain a comprehensive understanding of ion migration and diffusion mechanism in organic-inorganic perovskite devices; with this guidance we will explore new perovskite materials with weaker ion migration; and will find the carrier transport layer can effectively block the ion; finally obtain perovskite photovoltaic cells with long working lifetime.

目前，阻碍钙钛矿太阳能电池技术实用化的最大问题是工作条件下的稳定性问题。表现为器件性能易受到电场的影响，且在太阳光辐照和较高的工作温度下器件快速衰退。近期的研究进展表明有机无机钙钛矿中的离子迁移，以及离子向相邻载流子传输层的扩散是引起钙钛矿光伏器件衰退的重要原因。从而引出如下三个关键问题：（1）有机无机钙钛矿中离子迁移以及向其他功能层扩散的机制是什么？（2）如何减弱和抑制有机无机钙钛矿中的离子迁移？ （3）如何阻止这些离子向相邻的功能层（电子传输层和空穴传输层）的扩散？.本项目拟紧扣这三个关键问题展开研究。理论计算和实验验证并重。目的是对有机无机钙钛矿中的离子迁移和扩散特性有全面的认识；依此为线索探寻，探寻离子性能更弱的新型钙钛矿材料；找到能够有效阻挡离子的载流子传输层材料；最终获得长工作寿命的钙钛矿光伏电池。

近年来发展起来的有机无机钙钛矿具有能隙可调，吸收系数高，缺陷容忍度高，可低温湿法制备等显著特点。这种新型的半导体材料在光电转换领域具有重要的应用前景。钙钛矿太阳能电池具有低成本，轻薄，可柔性，可半透明，可抗高能射线等潜在优势被誉为新一代光伏技术。然而当前钙钛矿电池的工作稳定性不佳，其工作寿命没有达到商业化的要求。有机无机钙钛矿中存在可移动离子。钙钛矿器件的老化衰退源于离子（原子）经由缺陷位点的迁移和扩散。本课题围绕“减少缺陷点位，抑制离子迁移”这个核心任务展开研究，目的是提升钙钛矿太阳能电池的工作稳定性。开展的研究工作包括：(1) 新型钙钛矿材料的设计和计算。采用第一性原理计算，分析和设计了多种新型钙钛矿主体光伏材料，包括混合阳离子钙钛矿的离子迁移激活能的计算，新型双氨基类钙钛矿材料以及新型超卤素超晶格类钙钛矿材料设计和计算；（2）新材料的制备。制备了新型混合阳离子MAFACsRbPbIBr钙钛矿活性层，探索并制备出了能级匹配良好的传输层材料，如 PEIE/SnO2复合电子传输层，PCBM:C60复合型电子传输层，Alq及ZrAcAc等性能良好的传输缓冲层等；（3）器件的优化。进行了大量的器件结构和工艺优化，从新型钙钛矿钙材料的制备，钙钛矿结晶调控，界面钝化，新型传输材料的探索等方面深入研究。通过这些措施有效地抑制了钙钛矿太阳能电池中的离子迁移和扩散行为，提高了钙钛矿太阳能电池的制备重复性，能量转换效率和工作稳定性。本项目制备的反型钙钛矿太阳能电池的认证效率为23.4%，在室温、氮气环境下，在相当1个太阳的白光LED照射下，起始效率为20.29%，光照1750小后，效率维持在19.58%。这些研究结果的有益启示是：进一步通过材料和工艺创新，减少和钝化钙钛矿薄膜的缺陷，增加离子迁移激活能等，可以抑制钙钛矿的离子迁移。同时继续优化载流子传输层，阻止钙钛矿中的离子（原子）其内部扩散。这些措施可以有效提高器件的稳定性。