基于光电子能谱的有机金属卤化物钙钛矿太阳电池的表面与界面机制研究

Organometal halide perovskite solar cell is a new type of solar cell that has been experienced a breakthrough in 2012. In the past two and half years, it has attracted enormous interest in the community of photovoltaic and meanwhile made an incredible progress in such a short time. By now, the highest power conversion efficiency of the laboratory product has been over 20%. Nowadays, the research is mainly focus on the recipe of device production such as the structure design and the optimization of fabrication condition. However, the understanding to the physical mechanism of such device is still significantly lacking, especially the interfacial phenomenon between perovskite absorption layer and the other functional layers. In this project, we plan to study the surface and interface phenomenon in the perovskite solar cell by the photoemission spectroscopy technique. We will give emphasis on the investigation of energy level alignment, interaction, surface state, etc., at the interface between perovskite layer and carrier collection layer. By combining the results with the performance of corresponding devices and the morphology of functional layers and so on, the relation between the interfacial property and the device performance can be found. The physical mechanism involved can guide the design of high efficiency perovskite solar cells. Meanwhile, we also intend to investigate the role of thermoelectric effect in the mechanism of photovoltaic conversion and develop a new type of perovskite solar cell by borrowing the π-structure that originally used in the thermoelectric device.

有机金属卤化物钙钛矿太阳电池自2012年取得突破性进展以来，以其低成本高效率易制备的特点在整个光伏界引起了极大兴趣，并在极短时间内取得了飞速发展，目前实验室可得到的最高转换效率已经突破20%。目前对其的研究还主要集中于器件结构改进和制备工艺优化等方面，而对这一新型电池的内在物理机制的了解还远不够充分，尤其是钙钛矿吸收层与其它各功能层的异质结界面对器件性能的影响尚缺乏深入系统的研究。本项目课题旨在利用光电子能谱技术对钙钛矿太阳电池异质结界面进行全面和系统的研究，重点测试钙钛矿吸收层/载流子收集层界面的能级排列、相互作用、表面态等相关信息，并结合相应器件的性能信息，分析研究不同材料体系下的异质结界面对钙钛矿太阳电池性能的影响，得出界面相关的物理机制，为器件的设计与优化提供指导和思路。同时研究热电效应在光电转换机制中起的作用，并借鉴热电器件中的π型结构，实现一种全新结构的钙钛矿太阳电池。

本项目课题基于钙钛矿功能材料的添加剂工程的研究，设计并优化了一系列添加剂材料的合成和相关器件制备工艺，包括钙钛矿前体材料添加剂和电子传输层添加剂，并借助光电子能谱等测试手段从材料电子态和器件界面的角度分析其中的物理机理，还进一步开展了添加剂工程在钙钛矿电致发光器件中应用的研究。此外，借助本项目器件制备方面的技术条件和优势，与其他课题组合作开展了有机电致发光功能材料验证与相关器件制备表征的研究工作。. 在本项目的研究中，我们采用传统的一步法旋涂工艺制备钙钛矿薄膜，在前驱体溶液中引入盐酸肼作为添加剂，获得了覆盖率更高、结晶度更好的钙钛矿薄膜，制备的反式平面异质结钙钛矿太阳电池的能量转换效率从最初的6.70±0.44%提高到了11.41±0.64%，最优器件的能量转换效率可达12.66%，同时验证了盐酸肼添加剂主要通过改善CH3NH3PbI3的反应过程来优化结晶成膜效果、自身并未参与晶格构成的作用机制。之后我们加入反溶剂步骤优化了一步法旋涂制备工艺，引入醋酸甲脒作为添加剂，提升了钙钛矿薄膜的晶粒尺寸并改善了其吸光性能，实验发现甲脒离子会部分取代甲胺离子形成混合离子型钙钛矿材料。在甲胺甲脒（MAFA）二元阳离子混合体系中引入铯离子（Cs+）制备CsMAFA三阳离子混合型钙钛矿材料，制备出的电池平均能量转换效率为18.95%，其中最优器件的能量转换效率达到了19.86%。我们在用化学浴沉积方法制备的氧化锡电子传输层中掺入钽（Ta）元素实现了低温制备工艺的钙钛矿太阳电池，实验发现1%的摩尔掺杂比例可以显著提升器件的效率和稳定性，经过一系列的优化，最优的电池器件效率达到了20.8%，已接近世界一流水平。上述工作丰富和拓展了添加剂工程在钙钛矿太阳能电池中的应用，有利于推进其商业化和实用化的进程。此外，在钙钛矿电致发光领域中，我们尝试优化钙钛矿前驱体中醋酸铅和溴化胺的比例，使溴化胺富余，用于钝化钙钛矿薄膜中的缺陷态进而提高钙钛矿电致发光器件的效率，相关工作已取得阶段性成果，进一步的研究正在进行中。