薄膜钙钛矿太阳能电池中电子传输层与活性层动力学标度行为研究

Organic-inorganic hybrid perovskite solar cells have high light harvesting, excellent carrier transport and high power conversion efficiency, and have attracted considerable attention. Planar structure perovskite thin film solar cells are one of the most promising candidates, and the performance of the thin film solar cells highly depend on the qualities of thin films surfaces and interfaces. Our work will focus on planar structure perovskite thin film solar cells, study the dynamic scaling behavior and the formation law of ZnO and perovskite thin films under different growth conditions, and reveal the key factors in the films growth. Based on the research results of the dynamic scaling behavior, we will prepare ZnO and perovskite thin films with efficient sunlight absorbing and excellent carrier transport, and reveal the effect of surface micro-structure and its scaling parameters on the optical and electrical characteristics of the films, and further, study the correlation between morphology and micro-structure of ZnO and perovskite films and the performance of solar cells. Our work will shed light on the optimum experimental parameters to grow high quality ZnO and perovskite film and to improve overall solar cells quality by providing theoretical guidance , which could make new progress of films growth and devices fabrication in this field.

有机无机杂化钙钛矿结构太阳能电池具有优良的光俘获能力、载流子传输和光电转换效率，引起了人们的广泛关注，其中，平面钙钛矿结构薄膜太阳能电池具有很大发展潜力。薄膜表面界面的质量是影响薄膜太阳能电池的关键问题。本课题拟以钙钛矿薄膜太阳能电池为对象，研究ZnO和有机无机杂化钙钛矿结构薄膜表面生长动力学标度行为和演化机理，揭示影响其生长过程的关键因素。在理论研究的基础上，制备出具有高光吸收和载流子传输效率的ZnO薄膜和钙钛矿结构薄膜，揭示薄膜形貌及动力学标度特征对其光电行为影响机理，进而探索薄膜的表面界面形貌及结构特征对电池性能影响机制。本项目的实施，为改善ZnO和有机无机杂化钙钛矿结构薄膜质量、优化钙钛矿结构电池性能提供可靠的理论依据，有望促进该电池材料生长和器件研究的新进展。

钙钛矿太阳能电池具有多层薄膜结构，影响电池特性及可靠性的一个重要问题是薄膜表面界面的质量问题。通过对薄膜表面形貌进行细节分析，研究薄膜生长标度行为，揭示钙钛矿结构太阳能电池中薄膜生长动力学，对控制生长条件、改善膜层制备质量和器件制造工艺具有重要意义，这方面研究是该领域的关键基础课题。. 我们对钙钛矿太阳能电池中电子传输层ZnO薄膜的标度生长及形貌演化进行了研究，重点研究薄膜横向相关和纵向粗糙有关的局域标度行为和长程有序演化规律，阐释了受生长温度影响，沉积原子在表面上的扩散造成的颗粒生长行为和表面粗糙形貌演化和标度行为。做为电池吸收层的钙钛矿结构薄膜（以CH3NH3PbI3为例），其生长行为机理研究是该领域的一个热点，当前依然存在很多问题。我们用热蒸发方法，生长了钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜，研究了形核初期吸附原子的脱附、扩散和原子形核等的竞争机制，小岛聚合及连续膜生长过程的标度特性，衬底不同、ES能量势垒等导致的表面粗化过程和标度行为等。我们发现丘状（mound）生长和表面扩散生长是钙钛矿薄膜生长的主要生长模式，该工作对控制生长条件，提高钙钛矿薄膜生长质量提供了有益的理论参考。进一步，我们对薄膜表面形貌和界面结构对电荷复合作用机理进行了研究，我们发现锐钛矿TiO2做为电子传输层形成的表面，更加有利于界面载流子分离和电子传输。已经能制备出效率较高的钙钛矿太阳能电池原型器件。关于薄膜表面界面形貌结构对薄膜光学行为、对电池效率影响的理论和实验研究正在进行。