类钙钛矿型Cs2SnI6空穴传输材料的制备及其在钙钛矿太阳电池中的应用

In recent years, perovskite solar cells have attracted wide attention due to their rapid development. One of research trends in this field is to exploit low cost, stable and high efficient inorganic hole transport materials. Cs2SnI6 is one of ideal inorganic hole transport materials because of its low cost and high hole mobility. In this project, we synthesize Cs2SnI6 quantum dots for the first time and Cs2SnI6 quantum dots can be easily dissolved in the weak polar solvent so that they can serve as hole transport layer in perovskite solar cells without dissolving the perovskite light absorbing layer. By the ligand exchange on the surface of Cs2SnI6 quantum dots, we can easily control the energy level of the hole transport layer. Based on these perovskite-like Cs2SnI6 quantum dots as a hole transport material, we will fabricate perovskite solar cells and will also study the working mechanism of the Cs2SnI6 hole transport layer in perovskite solar cells, which can provide theoretical and experimental basis for the development of new type inorganic hole-transporting materials.

近年来，钙钛矿太阳电池的迅速崛起引起了国内外学者的广泛关注。开发新型低成本、稳定、高效的无机空穴传输材料是该领域的一个研究热点，类钙钛矿结构的Cs2SnI6由于其较低的合成成本、极高的空穴迁移率而成为空穴传输材料的理想选择之一。本项目首次提出通过制备Cs2SnI6量子点的方法，使得这类空穴传输材料能够溶解在弱极性溶剂中，以此来解决在多层钙钛矿太阳电池制备过程中，空穴传输层与钙钛矿光吸收层层间互溶的问题，从而将这种含锡类钙钛矿型空穴传输材料引入到钙钛矿太阳电池中。而后针对无机空穴传输材料能级不易调控的问题，我们提出利用Cs2SnI6量子点表面配体交换的方式来调节空穴传输层能级，为空穴传输层能级调控提供了新思路。在此基础上，本项目还将深入研究配体交换对Cs2SnI6薄膜性质和钙钛矿太阳电池器件性能的影响机理，为新型、高性能、廉价的无机空穴传输材料的开发和调控提供理论和实验基础。

近年来，钙钛矿电池因转换效率高、成本低、制作简单等优点，被公认为最有潜力的新一代太阳能电池，其中含锡基非铅钙钛矿材料由于其低毒性近年来备受瞩目。研究领域主要集中在开发稳定高效的含锡基光吸收材料，对其传输性能关注较少。Cs2SnI6作为一种新型类钙钛矿材料，+4价氧化态使得其空气稳定性优异，且载流子传输性能非常好，因此有望作为界面传输材料应用于钙钛矿太阳能电池。本文通过优化合成工艺，成功利用一锅法制备了Cs2SnI6钙钛矿纳米材料，其在典型的有机溶剂中分散性很好，解决了无机材料在有机溶剂中溶解性问题。最优化制备条件是在SnI4和油酸铯溶液物质的量之比为1:1、220℃、 0.25mlTOP的条件下，即可制备出由量子点（1-4nm）组成的二维超薄薄膜，且随反应时间延长Cs2SnI6纳米材料结晶度逐渐提高。而后分别针对钙钛矿太阳能电池器件中的空穴传输层、电子传输层以及钙钛矿光吸收层的形貌进行了优化，发现B(C6F5)3是一种非常简单、低成本、高效率的P型掺杂剂；杂多酸SiW12可以有效提高电子传输材料TiO2的传输性能；引入盐酸羟胺HONH3Cl作为形貌控制剂，可以改善了碘化铅甲胺钙钛矿层的形貌，减少了针孔，提高了致密性；基于以上优化工艺，最优化平面型钙钛矿太阳能电池器件效率达到17.03%，介孔型钙钛矿太阳能电池器件效率达到14.7%。瞬态光电压谱表明CS2SnI6量子点材料为n型半导体，在器件优化的基础上，以Cs2SnI6量子点作为电子传输层材料应用于钙钛矿太阳能电池，发现以反应时间久的CS2SnI6量子点作为电子传输层的电池效率更高。发表 10篇 SCI 收录的论文，其中影响因子大于 6 的期刊5 篇， 授权专利 4项，培养硕士研究生2 名，本科生1名。