基于氟化物介孔的高效钙钛矿太阳电池的设计、制备与性能研究

The rapid development of perovskite solar cells, an emerging low-cost photovoltaic technology, has brought a ray of hope to solve the future energy problem. However, for the further improvement in the power conversion efficiency for the mesoscopic solar cells, it is very necessary to carry out thorough understandings on the interface kinetics, and the roles of porous scaffolds in the film growth and carriers transport process, due to the presence of a huge mesoporous/absorber interface. In this project, the unique device configuration for mesoscopic solar cells consists of a dense TiO2 layer, a CH3NH3PbI3 light absorber layer, a alternative fluoride nanoparticles-based mesoporous layer with low phonon energy, and a novel design of organic/inorganic double hole transport layers for the matching of valence band energy levels, to improve the interface contact characteristics, suppress the recombination of carriers and enhance the efficiency of solar cells. And to reveal the operation mechanism of mesoporous properties on cell performance, the research is focused on the influences of NaYF4 and PbF2 mesoporous layers respectively on the growth characteristics of perovskite absorption layer, and on the transport and recombination processes of photo-generated carriers. At the same time, a two-dimensional numerical model of mesoscopic solar cells is established to simulate the effect of the structure and the property of mesoporous layers on the basic working principles of devices, and compared with the experiment results to elucidate the fundamental photophysical mechanisms of perovskite solar cells. Thus, the implementation of project will provide new thinking for the research and development of high efficiency perovskite solar cells.

钙钛矿太阳电池的快速发展为解决未来能源问题带来了一线曙光。然而，对于介观结构太阳电池，由于其内部存在着庞大的介孔\吸光体界面，要进一步提高电池的转换效率，需要对界面动力学过程，以及介孔层在薄膜生长和载流子传输过程中的作用机制进行深入研究。项目拟采用TiO2致密层、CH3NH3PbI3吸光体、新型的基于低声子能量氟化物纳米颗粒的介孔层和可增强价带能级匹配的有机/无机双空穴传输层新颖设计来构筑介观太阳电池，达到改善界面接触特性、降低载流子复合、提高电池效率的目的。重点研究NaYF4和PbF2介孔层对钙钛矿吸光层生长特性和光生载流子的传输、复合过程的影响，以揭示介孔层性质对电池性能的作用规律。同时，建立二维介观太阳电池的数值模型，集中分析介孔层结构、特性对电池性能的影响，并与实验结果进行对比分析，阐明电池的光物理机制。总之，项目的实施能够为高效钙钛矿太阳电池的研发提供新的思路。

有机/无机杂化卤化铅基钙钛矿作为新一代光电半导体材料具有高的吸光系数和电荷迁移率、长的载流子寿命和扩散长度、以及可调的带隙等一系列优点，且材料成本低、制备工艺简单。经过几年的快速发展，电池效率已从最初的3.8%迅速提高到当前的22.1%。然荣光背后，仍存在着大量的关键问题需要解决，如各种电池结构的优劣、相关材料的优化、界面的修饰、制备工艺的改进等。在项目执行期间，我们对不同结构电池的工作机制、氟化物纳米颗粒的合成和MAPbI3薄膜的制备进行了深入研究，其理论模拟方面结论如下：1）空穴传输层的功能：增反作用有助于提高吸收层对长波光的吸收；增强吸收层内的电场，提高载流子的收集几率；改善电池与电极间的接触特性。2）TiO2介孔层的厚度与其自身的电子密度密切相关：当电子密度比较高时，介孔层厚度应控制在150nm以内；当电子密度比较低时，厚的介孔层有助于提高吸收层内光生载流子的收集几率，以提升电池效率。3）在制备一维纳米棒钙钛矿太阳电池时，纳米棒的空间布局至关重要。模拟发现，在Al2O3纳米棒孔隙率为0.7、长度为450 nm的条件下，可获得20%以上的转换效率。在实验研究方面：1）分别研究了一步法和两步法沉积工艺对钙钛矿薄膜的影响，并制备了效率为13.03%的平面异质结太阳电池。且在一步法前驱液中PbI2和MAI为化学计量比时，电池的性能最佳。2）分别合成了粒径小于50nm的NaYF4和PbF2纳米颗粒，发现其构筑的介孔层对MAPbI3薄膜生长特性的影响与薄膜的制备方法密切相关。这些研究结果为后续实验的展开奠定了基础。