平面型全固态钙钛矿太阳电池

Perovskite solar cells have attracted much attention due to the high efficiency and low cost. High efficiency solar cells require uniform and highly ordered perovskite films and efficient electron extraction, therefore, the morphology and structure of perovskite thin films and the interface engineering between electrodes and perovskite films are two key scientific issues. We have fabricated perovskite solar cells with efficiency of 15% by two-step vacuum deposition process. In this project, the morphology and structure of perovskite films by two-step vacuum deposition process will be investigated. The interface between perovskite film and electron transport layers will be studied, to deeply understand the electron extraction process in perovskite solar cells. Based on these researches, new materials with low work function and high electron mobility will be synthesis and be applied as electron transport layer to fabricate high efficiency perovskite solar cells. After the optimization perovskite film morphology and structure, and the interface engineering in devices, perovskite solar cells with efficiency >18% will be fabricated.

钙钛矿太阳电池有望因高效率与低成本得到大规模应用。高效率电池器件需要均一且高质量的钙钛矿薄膜和高效的电子传输与导出，钙钛矿薄膜的形貌与结构调控及其与电子传输材料的界面调控是电池器件的关键科学问题。本项目在采用真空蒸镀两步法制备出效率达15%的钙钛矿太阳电池的基础上，系统研究薄膜沉积参数、后处理参数和基底微结构对钙钛矿薄膜形貌与结构的影响，揭示钙钛矿薄膜形貌与结构的调控规律，及其与光学和电学性质的关系。再从电子传输材料的组成、微结构与性质调控入手，从界面能级排列、薄膜形貌和器件物理参数等多个方面进行研究，深入理解钙钛矿太阳电池的运行机理，建立钙钛矿太阳电池模型；设计合成或制备低功函数、低缺陷密度、高电子迁移率的电子传输材料，通过钙钛矿薄膜形貌与结构的优化和界面调控，制备出效率>18%的钙钛矿太阳电池。

钙钛矿太阳电池有望因高效率与低成本得到大规模应用。高效率电池器件需要均一且高质量的钙钛矿薄膜和高效的电子传输与导出，钙钛矿薄膜的形貌与结构调控及其与电子传输材料的界面调控是电池器件的关键科学问题。本项目探索了薄膜沉积参数对钙钛矿薄膜形貌与结构的影响，及其与光学和电学性质的关系，实现了器件中钙钛矿薄膜形貌与结构的有效控制，制备出均一且高质量的钙钛矿薄膜。通过从电子传输材料的组成、微结构与性质调控入手，设计合成低温PC60BM/SnO2双层电子传输层（ETL）。而且与仅用SnO2作为ETL的平面钙钛矿太阳电池相比PC60BM/SnO2双层ETL提高了平面钙钛矿太阳电池的效率。扫描电镜，X射线衍射分析等形貌结构表征表明，PC60BM的存在可以促进钙钛矿晶粒的均匀分布和晶界之间的融合。J-V分析、荧光光谱等结果表明，PC60BM提高了钙钛矿薄膜的捕光效率和从钙钛矿膜到PC60BM/SnO2双层膜的载流子转移。将三种IT类的非富勒烯电子受体作为电子传输层的引入到倒置钙钛矿太阳电池中。详细研究了电子受体薄膜与钙钛矿薄膜的形貌与结构，以及两者形貌之间的关系。得益于陷阱钝化和更低的载流子复合损失，用ITM类非富勒烯材料可以抑制载流子复合带来的损失，从而使基于IT类非富勒烯电子受体作为ETL的钙钛矿太阳电池均获得了较高的开路电压。这些工作初步揭示了新型电子传输层材料在制备高效倒置钙钛矿太阳电池中的巨大潜力。通过钙钛矿薄膜形貌与结构的优化和界面调控，制备出效率>18%的钙钛矿太阳电池。研究成果申请国家专利4件，在相关领域国际主流刊物上发表高水平SCI论文25篇。培养硕士/博士研究生6人。