钙钛矿薄膜/碳电极界面的能级梯度构建对电荷转移行为的影响

Carbon-based hole transport materials-free perovskite solar cells (C-PSC) have attracted much attention due to their relatively high stability. Among all kinds of C-PSCs, the C-PSCs based on paintable carbon electrode is very promising because of their simple structure and fabrication technique. However, the poor contact and low hole selectivity at peorvskite/carbon electrode interface suppress their power conversion efficiency (PCE). In our previous work, we have successfully enhanced the interface contact to partially improve the PCE. But low hole seletivity still limited the further improvement in PCE. Therefore, in this proposal, we aim to create a gradient composition at the surface of perovskite layer, which is used to construct a gradient energy level at the perovskite/carbon electrode interface and hence to control the charge transfer at this interface. By studying the effects of different gradient energy levels on charge transfer behaviour and the corresponding working mechanism, we hope to obtain a proper gradient energy level to enhance hole selectivity and reduce charge recombination loss. Meanwhile, the effects of composition gradience and gradient energy level on the ion migration in perovskite layer and J-V hysteresis will also be investigated, which will help to control and reduce the J-V hysteresis in the paintable C-PSCs. These researches will surely offer method strategy and theoretical knowledge to further improve the PCE of the paintable C-PSCs.

基于碳电极的无空穴传输材料钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）因其较高的稳定性受到广泛关注，而采用可刷涂式碳电极的C-PSCs因较为简单的结构和制备工艺而具有很好的发展前景。然而钙钛矿薄膜和碳电极之间较差的界面结合和空穴选择性限制了这种可刷涂C-PSCs的转换效率。申请者前期研究通过提高钙钛矿薄膜的平整度来成功的增强了界面结合，一定程度上提高了其转换效率，但空穴选择性差仍然抑制着效率的进一步提高。由此，申请者在前期研究基础上提出通过对钙钛矿薄膜表面进行原位化学转化来形成成分梯度，以建立合理的能级梯度来控制电荷界面转移行为。通过研究不同能级梯度对电荷转移行为的影响规律和机制，获得可增强空穴选择性并减少电荷复合的能级梯度。同时探讨成分梯度和能级梯度对薄膜中离子迁移行为和J-V磁滞现象的影响机制，以控制并减小J-V磁滞现象。从而为最终提高可刷涂C-PSCs的转换效率提供理论和技术指导。

钙钛矿太阳能电池（PSCs）有望成为光伏市场的新选择，但稳定性差是其商业化面临的最严重问题。造成稳定性差的重要原因之一是传统PSCs中采用的有机空穴传输层和贵金属电极。为此，解决稳定性差的重要途经是积极发展无空穴传输层的碳基PSCs（C-PSCs）。相比于传统PSCs，C-PSCs的稳定性明显增加，且其去除了有机空穴传输层和贵金属电极，使C-PSCs的器件成本明显低于传统PSCs。然而，目前C-PSCs的转换效率与传统PSCs相比仍有差距。其中，碳电极对空穴选择性差是限制C-PSCs转换效率的主要原因，因为空穴选择性差会明显降低钙钛矿薄膜中电子-空穴对的分离效率，诱导载流子的复合损失。基于以上现状，本项目提出通过在钙钛矿/碳电极界面构建成分和能级梯度来增强界面的空穴选择性来提高C-PSCs的转换效率。具体来说，项目研究和发展了钙钛矿薄膜中离子的液相交换过程，实现了有机-无机杂化（MAPbI3）和无机（CsPbBr3）钙钛矿薄膜中阳离子之间（如MA+和FA+）和阴离子之间（如I-和Br-）的有效交换，在薄膜表面实现了成分和能级梯度的构建；研究并获得了不同梯度对电荷行为和器件光电性能的影响规律和作用机制，使C-PSCs的转换效率提高到了14.5%。研究了钙钛矿薄膜中离子交换的气相转化过程，通过甲胺气分子实现了薄膜中阳离子（如H+和MA+、NH4+和MA+）之间的快速有效交换，制备了高质量MAPbI3膜层；实现了气相法对钙钛矿薄膜成分的有效调控，研究并获得了气相过程中前驱体种类、转化过程参数等对钙钛矿薄膜成分、物化特性、电荷行为、器件J-V磁滞、电池光电性能和稳定性的影响规律和作用机制。通过本项目的研究，很好证明了薄膜表面成分和能级梯度的构建可有效增强钙钛矿/碳电极界面的空穴选择性，并很好减少载流子复合，使C-PSCs的转换效率得到明显提高，这为进一步提高器件性能提供了很好的研究思路，有效促进了C-PSCs的商业化进展。