杂化钙钛矿太阳电池中的光电转换过程研究

Perovskite solar cells that use organic-inorganic hybrid perovskite as light absorber are novel and potential photovoltaic devices, but the working principles and photovoltaic mechanism in them are poorly understood. Understanding the charge carrier generation and transportation dynamics in photovoltaic process and getting insight into the key factors affecting the device performance and the underlying physical mechanisms are the key issues in access to the efficient perovskite solar cells with optimized materials and structures. In this project, the hybrid perovskites with different alkyl groups and metal ions are prepared; the theoretical model of carrier transportation is developed for comprehensively description of the dynamics involved in photon-to-current process in the solar cells, according to the physical characteristics of perovskites; an indirect dynamic strategy is proposed for studying the behaviors of the charge carriers in bulk hybrid perovskites and overcome the modulation frequency limitation in the present experimental apparatus; combinational studies with the theoretical and experimental data, the carrier transportation characteristics correlated with the composition and structure of perovskites are understood, and the key factors governing the photon-to-current process and the related physical principles are revealed, providing the scientific bases for device optimization. Implementation of this project can promote the study and development of perovskite solar cells.

以有机-无机杂化钙钛矿作为光吸收材料的钙钛矿太阳电池是一种有很大应用潜力的新型光伏器件，但电池的工作原理和光伏机理尚不太清楚。理解光电转换过程中载流子产生和传输动力学行为，揭示电池性能的关键影响因素和物理机制，是获得具有优化材料体系和结构的高效钙钛矿太阳电池过程中需要解决的关键科学问题。本项目中，将制备含有不同烷基链和金属离子的杂化钙钛矿材料；针对钙钛矿材料性能的特点，建立载流子输运理论模型，以综合性地描述光电转换过程的动力学行为；提出间接动态研究钙钛矿中载流子行为的方法，克服现有设备调制频率的局限性；理论和实验相结合，理解材料组成和结构相关的载流子输运动力学特点，揭示影响光电转换过程的关键因素和物理机制，为钙钛矿电池的优化提供科学依据。本项目的实施可促进钙钛矿太阳电池的研究和发展。

以有机-无机杂化钙钛矿作为光吸收材料的钙钛矿太阳电池是一种有很大应用潜力的新型光伏器件，但电池的工作原理和光伏机理尚不太清楚。本项目主要是针对这些存在的问题，提出解决方案。本项目主要研究目标是,实现有机-无机杂化钙钛矿光吸收材料的组成、结构和性能调控；揭示钙钛矿组成和结构影响电池光电转换性能的相关性；发展载流子输运理论模型，揭示影响钙钛矿太阳电池性能的关键因素和物理机制。本项目要解决的关键问题是，材料组成与结构和载流子的产生、传输及复合之间的相关性及电池中载流子输运动力学理论模型。. 在本项目资助下，围绕研究目标和关键科学问题，开展了高效光吸收材料、电子传输材料和界面材料的可控制备及其太阳电池性能研究，成果主要以论文和发明专利的形式发表，完成了预定的研究计划和研究目标。主要研究内容包括：（1）纳米材料的制备、结构与性能；（2）太阳电池构筑及光电转换性能；（3）复合材料结构特性影响光电转换过程的机制。研究工作取得了显著进展，受到国内外学者的关注。重要成果体现在三个方面：（1）在新型电子传输材料、光吸收材料、界面材料及器件的制备技术研究方面，建立了多种核壳结构复合纳米阵列电子传输材料和宽光谱吸收纳米结构材料的可控制备方法和技术，制备了具有新型界面结构的太阳电池；（2）在材料结构特性与太阳电池性能相关性研究方面，揭示了杂化钙钛矿薄膜生长的晶体学特点，发展了量子点和络合物分子原位掺杂钙钛矿光吸收材料的方法并获得了效率为20.1%的高效钙钛矿电池原型器件,揭示了多种界面材料的作用原理；（3）在电荷输运动力学理论研究方面，建立了以自由载流子为光生电荷特点的太阳电池中空穴电流的动态表征方法及理论基础；初步建立了平板型钙钛矿结构的载流子输运动力学模型。研究成果促进了低价太阳电池的研究和发展。