标准老化条件下改性卤化物钙钛矿材料与光伏器件的稳定性研究

The highly efficient and low-cost perovskite solar cell (PVSC) is an emerging PV technology which holds the possibility to overturn the future PV market and result in the energy consumption revolution. However, if the stability issue cannot been resolved, the industrialization of PVSC is impossible. As the key component in PVSC, the ABX3 organometal halide perovskites, their stability studies are in severe shortage and based on chaotic standards, and the associated material degradation mechanisms are not clear. In view of these, this project proposes to start the research on the basis of material design on the composition and crystal structure of ABX3 perovskites, focusing on study (1) the crystal phase stability and thermal decomposition stability of perovskites, and their dependence upon the tolerance factor, octahedral factor, bond length and bond energy, under the standard thermal aging test conditions; (2) the impact of those key structural factors, defect formation energy and ion migration activation energy on the ionic migration inside the perovskite films and the consequence to the interfacial property changes. And then to clarify the general principles for ligands modification enhanced stability of perovskites and set up the relevant theoretical model to explain the associated mechanisms. At last, based on the stable perovskite materials and the implementation of effective interfacial engineering, the stability of PVSCs will be evaluated, correlated to the stability of perovskite materials under the same aging tests conditions. The ultimate goal of this project is to realize highly efficient and highly stable PVSC device. The successful implementation of this project will lay the important foundation of both theory and practice for the further development of highly stable perovskite materials and PVSC devices with practical values.

高效、廉价的新型钙钛矿太阳能电池技术有可能在未来颠覆光伏市场格局，引发能源消费革命，然而，稳定性问题不解决，其产业化将无从谈起。卤化物钙钛矿光吸收材料，作为钙钛矿电池的核心组分，其稳定性研究十分薄弱，标准混乱，材料机理不明。针对这一现状，本项目拟从材料成分、晶体结构的顶层设计出发，重点研究：(1)在标准“热老化”条件下，与钙钛矿材料容限因子、八面体因子、键长、键能相关的物相结构稳定性和热分解稳定性；(2)在标准“光照老化”条件下，与钙钛矿材料关键结构因子、缺陷形成能、离子迁移活化能相关的离子移动对材料表界面的改性机理。阐明配体改进钙钛矿材料稳定性的一般性规律并建立相关理论模型。最后，基于高稳定钙钛矿材料实施有效界面工程组装电池，研究钙钛矿材料与电池器件稳定性之间的关联，最终实现高效、高稳定的电池器件。本项目的成功实施，将为研发具有实用价值的高稳定钙钛矿材料和电池器件奠定重要理论和实践基础。

标准老化条件下钙钛矿太阳能电池的稳定性研究，对准确评估钙钛矿太阳能电池的使用寿命，推动稳定性瓶颈的解决，实现这种新型光伏技术的产业化至关重要。本项目在负责人2015年发表的 Science论文基础上，基于反式平面结构“FTO/NiMgLiO/钙钛矿/PCBM/Ti(Nb)Ox/Ag”的基础框架，研究通过有机配体、无机离子掺杂、取代形成的新型钙钛矿材料体系，研究在湿度、温度、光照、电场作用下的长期稳定性。着重以钙钛矿材料在 85℃的热稳定性、光照老化条件下的离子迁移为考察对象。并进一步解决界面材料和电极材料的稳定性。最终获得符合光伏组件老化测试标准的高效、稳定的器件。项目取得以下重要结果：(1) 利用无机氧化物界面材料的高稳定性，发展了一种采用纳米墨水涂布制备的高导电、高化学稳定的p型-CuGaO2无机界面薄膜，实现了全无机界面钙钛矿太阳能电池的高效率和高稳定性（2）开发了另一种p型-CuCrO2纳米墨水，通过优化分散技术在导电玻璃基底得到完整覆盖的无机界面薄膜，该薄膜的能级和导电性质俱佳，能够有效的抽取钙钛矿中的光生空穴。并且这种薄膜还具有特殊的紫外光屏蔽作用，大幅度提高了相应电池器件的紫外光照稳定性（3）并行开发了一种基于溶剂热方法制备的单分散n型-CeOx纳米墨水，通过适当的表面改性以后，可稳定的分散在特定极性的溶剂当中，因之涂布出来的无机界面薄膜具有致密堆积、表面平整无孔洞、可在钙钛矿薄膜表面形成完美覆盖，因而可提供特殊的化学屏蔽作用，防止钙钛矿的分解对金属电极的腐蚀，对器件的稳定性具有显著的帮助（4）发展了一种Sr-Pb复合钙钛矿材料体系，利用SrCl2掺杂调节MAPbI3结晶动力学，钝化薄膜材料缺陷，获得高结晶度、低缺陷浓度、长荧光寿命的MAPbI3(SrCl2)x复合钙钛矿薄膜（5）通过表面修饰技术，在一层疏水分子引入钙钛矿表面，有效钝化的钙钛矿的表面缺陷，增强了界面电荷转移效率，与此同时，使得钙钛矿表面具有强疏水性，有效减缓了水汽对钙钛矿的侵蚀作用，大幅提高了钙钛矿薄膜和器件在空气中的稳定性（6）采用Bi基电极材料体系，具备独特的抗卤素腐蚀能力，有效阻挡了金属电极向钙钛矿的扩散，未封装的器件在黑暗环境中保持其初始效率的88％超过6000 小时。在氮气氛围下，85℃暗态热老化和最大功率点持续光照老化500小时后，器件分别保持其初始效率的95％和97%。