基于氧化锌电子传输层钙钛矿太阳能电池的设计、制备和光电性能研究

Perovskite solar cells (PSCs), using electron transport materials of ZnO with high electron mobility, have insufficient efficiency and stability. Based on this concern, this project is designed to tune the chemical, electronic structure and create UV resistance of ZnO through interfacial engineering using special species; study the effect of surficial and interfacial decoration on the whole performance of PSCs; explain the key factors on cell stability and efficiency through advanced tools in inorganic/structural/material chemistry, device physics, photoelectronics and others; provide important guidance for rational design and preparation of practical large-area PSCs. The research contents are shown as following: 1) preparation of various compact ZnO thin films; 2) surface and interfacial engineering on ZnO thin films and structure characterization; 3) performance promotion of PSCs with surface and interfacial engineering on ZnO and the physical-chemical mechanism study; 4) preparation of high-performance ZnO-based PSCs. This project is based on well-developed basis and has strong interdisciplinary nature. It is predicted that it will provide important guidance for rational design, preparation and performance study on large-area PSCs, and shorten the distance between basic research and practical application.

针对具有高电子迁移率的ZnO基电子传输层的钙钛矿太阳能电池存在着器件稳定性和效率不够高的问题，本项目拟通过界面工程--ZnO的特定表界面修饰以调节ZnO表面的化学结构、电子结构和抗紫外性能，研究特定表界面修饰物对整体电池稳定性和效率提升的促进作用和机理，并结合无机/结构/材料化学、器件物理、光电子学等领域的先进研究手段认识影响电池稳定性和效率的关键因素，为实用大面积钙钛矿太阳能电池的理性设计和制备提供重要指导。项目研究主要包括以下四部分：1) 具有致密结构ZnO薄膜的制备；2) ZnO薄膜的表界面修饰与结构表征；3) ZnO表界面修饰物对电池的性能提升及其物化机理；4) 高效稳定的钙钛矿太阳能电池的大面积制备。项目有很好的研究基础，学科交叉性强，通过实施定能为制备高效稳定ZnO基大面积钙钛矿太阳能电池的理性设计、制备和性能研究提供重要指导，缩短钙钛矿太阳能电池从基础研究到实际应用的距离。

钙钛矿太阳能电池是一种极具潜力的新型光伏器件，在近十年内钙钛矿电池的光电转化效率飞速提升至经认证的25.7%。在经典的钙钛矿光伏器件结构中，有机无机杂化钙钛矿作为光吸收层夹在电子传输层和空穴传输层之间。目前，TiO2是常规钙钛矿器件中常用的电子传输材料，但是TiO2是一种紫外光活性材料，能吸收紫外光波段并产生自由基，对钙钛矿结构造成损害。因此，我们提出了另一种具有潜力的电子传输材料，即ZnO。ZnO具有比TiO2更高的电子迁移率和更好的光稳定性。但是，将ZnO应用于钙钛矿光伏器件需要解决两个问题：a)ZnO电子传输层和钙钛矿之间的界面面临载流子非辐射复合的问题，限制了整体器件的光电转化效率；b)ZnO表面富含羟基，呈弱碱性，容易与钙钛矿结构中的胺基正离子发生酸碱反应，从而诱导钙钛矿结构坍塌。在我们的工作中，我们分别从表界面修饰和体相调控两个角度对ZnO电子传输层进行了改性，使ZnO能够成功应用在高效且稳定的钙钛矿太阳能电池中：1)构筑ZnO表面硫化层，将与钙钛矿层接触的ZnO表面转换为硫化锌(ZnS)。硫化能消除ZnO表面的羟基对钙钛矿的负面作用，使未封装的钙钛矿光伏器件在1000小时存储后仍保留88%的原始效率。同时表面硫元素与钙钛矿的铅配位构筑成了良好的电荷传输通道，最终达到20.7%的光电转化效率；2)制备立方结构体相的钛酸锌(ZTO)电子传输层，并通过表面强酸脱锌处理，得到高效稳定的光伏器件；3)合二为一，构筑ZTO表面硫化层，实现了在85 oC/85%相对湿度的环境下最大功率输出点工作1000小时后仍保留85%效率的高稳定太阳能电池。基于氧化锌基电子传输层的成功制备和机理研究，我们进一步通过改善钙钛矿层和空穴传输层的方案提升器件性能：i)我们将ZnO电子传输层和无掺杂的高稳定有机空穴层结合，制备了高效稳定的电池器件；ii)从原子水平上理解了甲胺气辅助制备钙钛矿薄膜的过程中的结构转变；iii)发展了一种具有宽的操作窗口的制备钙钛矿薄膜的方法。以上成果证明了ZnO基电子传输层在钙钛矿电池制备中具有高可行性,亦可用于大面积模组。