基于氧化钛同质结电子传输层钙钛矿太阳能电池的设计与光电性能研究

This project proposes the technique of pulsed laser deposition and atomic layer deposition to prepare TiO2 films consisted of Type II and P-N homojunctions, which will be utilized as electron transport materials (ETMs) of planar perovskite solar cells. We try to investigate systematically the methods to modulate oxygen vacancies, interstitial oxygen, and doping of anions and cations in TiO2 films, reveal the relationship between energy band structure and carrier concentration, defect types and distribution, etc, and finally obtain homojunction films with controlled light transmittance, conductivity and energy band structure. Using the homojunction films as ETMs and studying the relationship between the critical physical parameters of perovskite solar cells and the morphology, structure and types, we will clarify the potential dynamic mechanism of carrier transport and recombination at the interface of homojunction/perovskite and hysteresis phenomenon. Through optimizing the processing parameters based on the above mechanism, high-efficiency and stable planar perovskite solar cells are obtained. .From this project, we will develop the homojunction as new ETMs for improving the separation and transport of carriers at the interface, offering new possibilities for research and application of perovskite solar cells.

本项目拟采用脉冲激光沉积和原子层沉积技术，实现氧化钛Type II和P-N两类同质结薄膜的制备，并应用于平面结钙钛矿太阳能电池的电子传输层。系统探索氧化钛薄膜中氧空位/间隙氧，以及阴阳离子掺杂调控的方法，揭示载流子浓度、缺陷类型和分布等参数与能带结构的关系规律，获得透光率、电导率和能带结构等参数可调的同质结薄膜。利用同质结薄膜作为电子传输层，通过研究同质结形貌、结构和类型与钙钛矿太阳能电池的关键物理参数之间关系，阐明同质结与钙钛矿界面对载流子传输和复合动力学以及电池中电滞现象的作用机制。在掌握以上机制和规律的基础上优化工艺，制备出高效稳定的平面结钙钛矿太阳能电池。.通过项目研究，有望发展出同质结电子传输层提高载流子在界面分离和传输效率的新技术，为钙钛矿太阳能电池的发展提供理论和技术支撑。

钙钛矿太阳能电池具有高的转换效率，引起了广泛关注。但是，高质量薄膜的制备、界面电荷分离和转移等问题仍待进一步探索。在本项目中，申请人发展了添加剂法、两步旋涂法等策略制备了大晶粒、高取向和平整均匀的薄膜，并研究了相关机制。针对光学损失问题，利用纳米压印技术将电子传输层进行二维光栅结构化，同时在电池表面引入具有光栅结构的减反膜，提升了光吸收和光透射；利用稀土上转换效应，把紫外光转换成可见光进行利用，同时提升了电池的光照稳定性；进一步，发展了三维反蛋白石结构，利用陷光效应提升电池的光吸收强度。针对界面电荷分离和转移问题，发展了氧化钛相结和氧掺杂梯度电子传输层，提高了电子传输层与钙钛矿层间的电荷分离效率。作为拓展，还发展了铁电材料/钙钛矿体相异质结，利用其铁电效应加强分离电场的强度。针对体相传输问题，发展了透明、导电和有序的三维网路电子传输层，有效的减少了电荷传输阻抗。基于以上的策略，可以获得钙钛矿电池的转换效率高达23%以上。项目研究成果为光电转换器件在光捕获、载流子分离和传输中的关键科学问题提供了参考方案。