单晶钙钛矿太阳能电池设计研究：单晶薄膜和掺杂

The intrinsic single-crystalline perovskite shows very high electrical resistance, due to its high electrical resistivity and the challenge to prepare submicron-thick single-crystalline film, single-crystalline perovskite solar cell, >100 micrometer in thickness, shows a huge series resistance that hinders carrier collection, leading to low fill factor and cell efficiency. Two strategies are proposed to solve the problem: (1) using template induced synthesis to fabricate micrometer-thick single-crystalline perovskite wafer; (2) using doping to increase its conductivity. It is expected that both abovementioned strategies may lead to reduced resistance for the single-crystalline perovskite and therefore enhanced carrier collection efficiency. By studying the growth mechanism, we will develop a synthesis method to prepare the single-crystalline perovskite wafer with micrometer thickness. By investigating the carrier dynamics in doped perovskite crystals, we will establish the relationship between doping and carrier properties. By studying the dependence of cell performance on wafer thickness and dopant concentration, detailed photovoltaic mechanisms will be revealed to guide the further device optimization for the single-crystalline perovskite solar cells.

本征钙钛矿单晶材料电阻率高，而且很难制备成亚微米厚度的超薄单晶薄膜，而100微米以上厚度的单晶钙钛矿太阳能电池串联电阻大、载流子收集效率低，导致填充因子低、电池效率低。本项目拟采用两个方法来降低单晶钙钛矿太阳能电池的内阻：（1）模板法制备微米厚度单晶钙钛矿薄片；（2）用掺杂提高钙钛矿单晶的电导；两种方式均可有效降低单晶钙钛矿电池的内阻，有利于提高光生载流子的收集效率。通过对钙钛矿单晶生长过程的研究，建立微米厚度单晶钙钛矿薄片的制备方法；通过对掺杂钙钛矿晶体载流子特性的研究，建立起掺杂浓度对钙钛矿电学和载流子特性影响的对应关系；通过研究单晶的厚度、掺杂浓度对电池性能的影响，阐明单晶钙钛矿太阳能电池的工作机制，为发展高性能钙钛矿太阳能电池提供理论依据和技术指导。

单晶钙钛矿材料具有更低的缺陷态密度、更高的载流子迁移率和更长载流子寿命，是制作高性能光电器件的理想选择。针对太阳能电池的应用，钙钛矿材料具有优异的吸光系数在105 cm-1量级，即1 μm厚的钙钛矿材料就可以100%的入射光子。钙钛矿材料的电阻率高且不易制备成单晶薄膜是造成单晶钙钛矿太阳能电池串联电阻大、载流子收集效率低和填充因子低的主要原因。为解决此问题，本项目将采用两个策略来降低单晶钙钛矿太阳能电池的内阻：1. 模板法制备微米厚度单晶钙钛矿薄片；2.单晶钙钛矿的掺杂；两种方式均可降低单晶钙钛矿太阳能电池器件的内阻，有利于提高光生载流子的收集效率。在研究过程中，针对单晶薄膜的制备方法、单晶材料的掺杂及其对钙钛矿光电器件的影响进行了深入的研究，主要结果及结论如下：.1. 单晶生长调控方面：研究了钙钛矿材料在溶液中的溶解特性；在此基础上通过调控温度，获得了晶体在溶液法生长过程中的相图，确定了最佳的晶体生长浓度-温度区间。采用质量守恒定律分析了晶体质量的大小和升温速率之间的关系，从而确定了最佳的升温速率和反应终止的温度及晶体收集效率。最终，表征了其光电特性并建立了生长因素对光电特性影响的规律。.2. 模板法生长10 微米量级厚度单晶钙钛矿薄片：采用边缘诱导晶界的方法，通过设计调控反应器结构，实现了超薄（600 nm~50 μm）钙钛矿晶体的生长。光电响应比微晶薄膜高两个数量级。.3. 采用物理减薄方法，进一步对钙钛矿单晶薄片进行了减薄处理，获得了厚度约50 μm单晶薄片，并在其两侧分别沉积电子传输层和空穴传输层，组装成了结构为Au/ITO/Spiro-MeoTAD/perovskite-wafer/PCBM/LiF/Ag/Au的单晶钙钛矿太阳能电池，获得了世界上第一个单晶钙钛矿电池，开辟了钙钛矿单晶太阳电池研究领域。.4. 研究了卤素离子和阳离子掺杂对钙钛矿晶体相稳定性的影响，揭示了晶体的结构与材料稳定性和光电性质之间的关联，为发展高性能光电半导体材料和期间奠定了基础。