高效稳定无机钙钛矿光伏电池的研究

Confronted with low light reaction activity, high binding energy of excitons, low photoelectrical conversion efficiency and low performance stability of perovskite solar cells, light absorption layer, electron transport layer and hole transport layer are investigated to improve the light absorption ability, decrease the recombination rate of light-induced electron/holes, enhance the photo-electron conversion efficiency and performance stability of perovskite solar cells. Phase transformation thermodynamics of inorganic perovskite materials and stabilizing mechanism of cubic phase inorganic perovskite are studied. Surface plasma effect, slow photo effect from photonic crystal and multi-scattering effect are introduced to enhance the light absorption ability and photo-electron conversion efficiency of perovskite solar cells are introduced. Based on energy structure match, photo-inducing charges, charge transport and recombination process, new type of electron transport layers based on fullerene structure derived materials and metal oxide are designed. The relation between energy gap and interface is revealed. Highly stable hole transport layer based on Cu/Ni inorganic materials is designed. The extraction efficiency of charge, injection and transport mechanism are systematically investigated. The present work will pave a path for industrial application of the inorganic perovskite solar cells based on solution and spinning processing.

针对钙钛矿太阳能电池面临的光反应能力低、激子结合能高、光电转换效率和稳定性低等关键科学问题，本项目拟深入展开无机钙钛矿光吸收层材料、载流子传输材料的微观结构设计与光伏电池性能研究。基于经典的相变热力学和表面能理论，探讨具有优异光响应性能的无机钙钛矿立方相的稳定机制，利用光子晶体的慢光子效应、多重散射效应及金属颗粒的表面等离子体效应，改善光吸收能力与捕获能力。设计新型富勒烯衍生物和金属氧化物等有效的电子传输层，研究光生载流子产生、输运以及复合等物理过程和影响因素，深入分析相关的物理机制与模型。设计高效稳定的新型无机空穴传输材料，研究界面载流子的提取、注入与传输规律。研究新型无机钙钛矿光吸收层、无机载流子传输层的结构、能带与光电性能的构效关系，优化与提升开路电压和填充因子，制备高效稳定的全无机钙钛矿太阳能电池。为实现大规模应用的溶液加工与旋涂制膜的无机钙钛矿太阳能电池的工业化应用打下基础。

无机钙钛矿太阳能电池的商业化应用还面临着许多科学挑战。首先，钙钛矿材料的软离子晶格特性使薄膜中存在大量的带电缺陷，导致了严重的非辐射复合和差的相稳定性，并使钙钛矿容易受水分、氧气、温度等刺激而发生降解，极大地损害了光伏器件的性能和稳定性。另外，钙钛矿与电荷传输层之间较大的能级差距降低了载流子的分离和传输效率，这导致较大的开路电压损耗。第三，离子掺杂的传统有机空穴传输材料易发生分解，且电子传输材料也比较单一，这阻碍了光伏器件效率和稳定性的进一步提高。基于上述问题，本项目主要围绕无机钙钛矿的材料和结构设计、电荷传输层的开发制备以及太阳能电池性能的提升开展了一系列基础研究。利用添加剂和组分调控策略改善了钙钛矿薄膜的结晶质量，阐明了无机钙钛矿的形核生长动力学过程，通过钝化剂与带电缺陷之间的配位作用，有效降低了缺陷态密度，并揭示了缺陷与材料光伏性质和稳定性之间的科学关系，同时实现了器件效率和稳定性的提升。利用反蛋白石结构的慢光子效应和多重散射效应，设计制备了光子晶体以提高钙钛矿薄膜的光捕获能力，同时引入Si量子点、Au纳米颗粒，证实了表面等离子共振效应、荧光能量共振转移效应对提高载流子寿命和分离效率的重要作用。为提高钙钛矿与电荷传输层界面处的载流子传输动力学，开发设计了Sb2Se3无机空穴传输层，吡咯-富勒烯及MOF衍生ZnO新型电子传输层，二维层状黑磷以及噻唑修饰的g-C3N4界面层，优化了光吸收层与传输层之间的能级匹配，实现了电荷分离与传输的高效率、低损耗。设计制备了体异质结、P-N同质结和级联异质结，通过增强内建电场和梯度能级排列大大提高了载流子的提取和传输效率，减少了电子空穴复合。