稀土掺杂宽光谱钙钛矿太阳电池的设计及其光电转换机理研究

The organic-inorganic hybrid perovskite solar cells have gained great attention due to their excellent photovoltaic effect. However, the spectrum range available for this solar cell is confined to visible range of sunlight. In this project, the rare earth doped luminescence materials are introduced to the hole conductor-free perovskite solar cells. The incident sunlight is modulated utilizing the optical-optical conversion properties of rare earth ions. Through reasonable designs of optical-optical conversion luminescence layers and solar cell structure, the unabsorbable ultraviolet and infrared light can be turned into absorbable visible light for perovskite solar cell, as a result, the photoelectric transformation efficiency of solar cell is improved substantially. The optical-optical conversion mechanisms of rare earth ions in various host materials are obtained based on the analysises of luminescence property and luminescence kinetic. By combining with the experiments and simulations, the influences of rare earth ions on the electronic structures of host materials are analyzed, and the influcing mechanisms of interface conditions on transport behaviors and recombination properties of carriers are revealed. Then the photoelectric conversion mechanism of this solar cell is discussed thoroughly. The design and investigation of perovskite solar cells with wide spectral absorption can provide experimental and theoretical basis for practical application of perovskite thin-film solar cells.

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池因其优异的光伏效应而受到广泛关注，但其太阳光谱利用范围被局限于可见光区。本项目拟基于无空穴传输层钙钛矿太阳电池，将稀土掺杂光-光转换发光材料引入电池结构，利用稀土离子的光-光转换发光特性对入射的太阳光谱进行调制，通过合理的光-光转换发光层和电池结构的设计将太阳光谱中不能被钙钛矿太阳电池利用的紫外光和红外光转换成可被电池直接吸收利用的可见光，大幅提高太阳电池的光电转换效率。基于材料光-光转换发光性能和荧光动力学分析获得稀土离子在各基质材料中的光-光转换机理。实验和计算模拟相结合，分析稀土离子的掺杂对基质材料电子结构的影响，揭示电池中各界面对载流子输运行为和复合特性的影响机制，深入探讨太阳电池的光电转换机理。这种宽光谱钙钛矿太阳电池的设计和研究将为钙钛矿薄膜太阳电池的完善和应用奠定理论和实验基础。

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池因其优异的光伏效应而受到广泛关注，但其太阳光谱利用范围被局限于可见光区，极大限制了电池光电转换效率的进一步提高。本项目利用稀土掺杂光-光转换材料，通过上/下转换荧光过程，将不能被太阳电池利用的红外光和紫外光转换为可被电池直接利用的可见光，进而提高电池光电转换效率。采用高温固相法和水热法进行稀土掺杂微纳米材料的制备，探究制备工艺对材料形貌和光学性能影响，研究稀土离子在氧化物和氟化物基质材料中的光-光转换特性和机制。稀土掺杂材料的光-光转换效率与稀土离子掺杂种类和浓度密切相关。研究表明，Ho3+、Tm3+和Er3+离子具有优异的上转换荧光性能；Eu3+离子则具有优异的下转换荧光性能，Yb3+离子具有优异的敏化性能。过高的离子掺杂浓度会导致离子间频繁的交叉弛豫过程，其一方面可导致荧光猝灭，不利于光-光转换效率的提高；另一方面可有效调节离子能级布居过程，有利于光-光转换效率的提高。为进一步提高材料光-光转换性能，可从减少晶体缺陷浓度、提高晶体结晶度、降低晶格对称性等方面入手。碱金属具有较小的离子半径，可有效调控稀土周围晶体场环境，降低无辐射跃迁几率；而过渡金属离子可有效调节荧光色度。稀土离子光-光转换性能易受泵浦光波长和功率、温度等因素影响。采用一步溶液旋涂法制备有机-无机杂化钙钛矿材料，并与稀土掺杂微纳米材料进行复合，提高了材料的光电性能，从微观电子结构角度分析了稀土掺杂对材料光电性能的影响归因，为稀土掺杂光-光转换材料在太阳电池中的进一步应用奠定了理论和实验基础。