基于ZnO薄膜的有机无机钙钛矿电池低温制备及传输机理的研究

Recently, organic-inorganic hybrid perovskites (in particular CH3NH3PbX3, where X = I, Cl, Br) came to the fore as a result of their high performance in converting solar light into electrical power, with power-conversion efficiencies (PCE) exceeding 15%. Photoanode film is one of the core components of organic-inorganic hybrid perovskite solar cell. Low temperature preparation, performance and transmission mechanism of organometal halide perovskites solar cell on mesoporous ZnO film and planar hybrid perovskite solar cell on compact ZnO thin film were investigated in this project. Film-forming process and the microstructure of ZnO films, CH3NH3PbI3 spin coating process and microstructure were studied. At the same time, the effect of thickness, microstructure and interface of ZnO film, CH3NH3PbI3 and hole transport layer on battery performance and photoelectric transmission mechanism were also studied. In addition, the effect of Al3+ and Li+ doping on ZnO film, CH3NH3PbI3 , battery performance and photoelectric transmission mechanism were characterized. The purpose is to provide experimental datas about ZnO based organometal halide perovskite battery.

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池近两年发展迅速，其具有原材料廉价和制作工艺简单，宽的吸收光谱及高的光电转换效率等特性。国际上对于高光电转化率的有机无机杂化钙钛矿电池的研究从2012年才见报道，国内对此类电池的研究报道非常少。氧化物光阳极膜是有机无机杂化钙钛矿电池的核心部件之一。本项目开展基于ZnO介孔膜有机无机杂化钙钛矿电池和基于ZnO致密膜的平面异质结钙钛矿电池的低温制备、性能和机理的研究。主要研究ZnO薄膜的成膜工艺和微观结构、连续法钙钛矿相旋涂工艺和微观结构、组成电池的ZnO膜、敏化剂钙钛矿层和空穴传输层等部分的厚度及显微结构和界面等对电池性能和光电传输机理的影响；同时还研究Al3+和Li+离子掺杂对ZnO膜微观结构、敏化剂钙钛相和电池性能的影响。目的是为ZnO基有机无机钙钛矿电池提供实验数据。

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于光电转换效率高、可全低温制备、 成本低等特性，具有广阔的发展前景。在 PSCs 中，电子传输材料起到抽取钙钛矿中光生电子并阻挡空穴的作用，直接影响着电池的光电转换效率、稳定性和滞回等性能。以制备高性能钙钛矿太阳能电池为出发点，通过对ZnO电子传输层进行工艺优化和结构设计，开展了基于ZnO的介孔层和平面异质结的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究，系统分析了各种制备工艺因素对ZnO电子传输层、钙钛矿层和太阳能电池性能的影响。研究了ZnO纳米粒、ZnO纳米棒、ZnO纳米片和ZnO纳米棒/纳米粒复合结构等不同形貌的ZnO为介孔层，提出了一种基于ZnO纳米阵列的FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/Spiro-MeOTAD/Au钙钛矿太阳能电池结构，成功制备了光电转换效率10.27%的电池器件。经过工艺优化，提出采用溶胶-凝胶旋涂工艺制备的ZnO致密层，实验重复性更好，同时电池的性能最优。基于二步法的平面结构钙钛矿电池最优的参数如下：Voc为0.97，Jsc为18.63 mA•cm-2，FF为0.68,PCE 为12.27%。在研究中发现：ZnO表面的羟基会与CH3NH3PbI3分子中的甲铵离子发生路易斯酸碱反应，因此基于ZnO为电子传输层的钙钛矿电池光电转化率低。为此通过结构设计和界面控制来进一步提升电池的性能。利用N元素掺杂来提高电池的性能；利用稳定的TiO2包裹ZnO制备壳核结构的TiO2@ZnO纳米棒介孔层，在致密的ZnO层表面旋涂TiO2，形成TiO2和ZnO复合电子传输层；在ZnO表面配位化学修饰一薄层MgO桥连的质子化乙醇铵。三种方法均可有效地提升电池的性能。在致密的ZnO层表面旋涂TiO2，形成TiO2和ZnO复合电子传输层。当旋涂ZnO层的厚度为50-80nm，旋涂TiO2层的厚度为50-80nm，以此做为复合层，所得平面异质结电池的性能最优。PCE达到最大值17.54%，对应的Voc为1.04V，Jsc为21.91mA•cm-2，FF为0.77。.通过优化，获得了效率为17.54%的基于ZnO电子传输层的钛矿太阳能电池，并给出了三种选择和设计ZnO电子传输材料界面的建议。