基于三元体异质结钙钛矿电池的活性层形态与性能关系探究

In the field of organic-inorganic hybrid perovskite solar cells, tailoring the microstructure of perovskite layer is of critical importance for the optimization of device performance. The appearance of crystal defects in the perovskite layer and the issue of incomplete substrate coverage will be adverse to the carrier transport and collection processes. This project aims at developing the perovskite-based active layer with bulk heterojunction (BHJ) structure via incorporating two kinds of semiconducting materials with suitable energy levels, focusing on the issue of morphological control. Perovskite crystal size and film coverage are expected to be regulated, during which the directional distribution of these components and cascade energy-level structure will also be constructed. This application intends to achieve the structural regulation of perovskite solar cells in various aspects (including perovskite crystal morphology, material distribution in vertical direction and energy level structure) and provide more information theoretically on the development of perovskite solar cells with controllable morphological structure and excellent performance.

在有机-无机杂化的钙钛矿电池领域，钙钛矿活性层的形态结构与最终的光电转化效率密切相关。钙钛矿层中产生的晶体缺陷以及基底覆盖不完整等形态问题将严重影响载流子传输与收集过程。针对上述问题，本项目拟选择两种与钙钛矿能级匹配的功能性半导体材料作为客体，与钙钛矿主体形成体异质结活性层结构，在调控钙钛矿晶体尺寸与薄膜覆盖程度的同时构建有利于载流子传输的垂直组成分布与瀑布式能级结构。本项目的实施有望从钙钛矿晶体形态、材料的垂直分布以及能级结构等多个方面实现对钙钛矿电池结构的调控，为开发形态可控、性能优异的钙钛矿电池器件提供更为充分的理论依据。

在有机-无机杂化的钙钛矿光伏电池领域，钙钛矿活性层的形态结构与最终的光电转化效率关系密切。在钙钛矿层的溶液加工过程中，不可避免地会产生大量的晶体缺陷、晶界缺陷以及基底覆盖不完整等薄膜形态问题，上述问题会严重影响载流子传输与收集过程，进而降低器件的效率及稳定性。为了实现钙钛矿层活性层结构的有效调控，本项目从钝化剂引入、钝化溶液筛选以及钝化方式优化等角度入手，构筑高质量的钙钛矿多晶薄膜，最终实现钙钛矿光伏器件性能与稳定性的同步改善。具体包括：(1) 通过向钙钛矿活性层中引入有机半导体受体添加剂ITIC，构筑了体异质结钙钛矿活性层结构，改善了载流子尤其是自由电子的传输通道，器件效率由12%提升到15%以上；(2) 采用含有多种极性基团的吡啶二甲酸作为多重钝化剂，有效钝化了钙钛矿内部以及表面的铅离子缺陷，钙钛矿薄膜结晶性显著提升，最终器件光电转化效率由16%提升到19%，同时器件稳定性也显著提高，惰性环境下放置1300小时后器件效率仍然保持在90%以上；(3) 系统研究了各类钝化溶剂在钙钛矿活性层形态调控以及缺陷修复过程中的作用，发现对钙钛矿具有一定溶解性的异丙醇钝化溶剂更有助于钙钛矿内部缺陷的修复，进而降低非辐射复合的损耗，器件性能最终由15%提升至18%以上。当钙钛矿的劣溶剂作为钝化溶剂时，仅仅能够对界面缺陷进行有效修复，因此器件性能提升幅度有限。(4) 新型钝化体系和钝化方法被应用于MAPbI3体系中，经过实验条件的初步探索与器件结构的不断优化，基于MAPbI3体系的器件光电转化效率已经达到了接近20%的效率。综上所述，本项目从钝化剂体系筛选、钙钛矿晶体形态可控调节、稳定活性层结构的构筑等多个方面系统研究了高质量钙钛矿薄膜的设计策略，有力推动了形态可控、性能优异的钙钛矿光伏电池器件的开发以及该领域的商业化进程。