通过直接测量半导体膜电子准费米能级研究钙钛矿太阳能电池界面能级分布

Perovskite solar cells show great promising for future commercial applications, owing to their high photon-to-electron conversion efficiency and relative low cost. The efficiency was significantly increased from 3% to 15% within four years. It is necessary to have a comprehensive understanding of the working principles of perovskite-sensitized solar cell for their further improvement. However, the mechanisms of charge separation and charge transport are poorly understood, and the mechanisms of energy loss during the photon-to-electron conversion process are unknown. In order to determine how and where the charge separation happened and how the charge transfer, and where the energy losses occurred, we prefer to understand energetic alignment at the most important interface TiO2/CH3NH3PbI3/spiro-MeOTAD of the cells by a direct method to measure the electron quasi-Fermi level of the materials on the interface. The results of this project will be benefit to the future development of new materials and optimization of peovskite solar cell for much better cell performance, which as well will be very helpful for the application of interfacial engineering in other kinds of photoelectronic devices.

钙钛矿太阳能电池是一种基于钙钛矿结构的无机-有机杂化材料的新型太阳能电池。仅用了四年时间，光电转化效率从3%提高到了15%，显示出了极强的竞争力，应用前景非常可观。目前，对电池光电转化过程中的电荷分离、传输、复合等机制，以及一些重要的能量损失机制尚未完全明晰。若要进一步提高效率，亟需关于电池工作机理的理论研究。本项目创新性地提出通过建立三（多）电极电池系统，直接测量工作状态下钙钛矿太阳能电池中关键界面TiO2/CH3NH3PbI3/spiro-MeOTAD上各半导体材料纳米膜中的电子准费米能级，研究界面能级的分布及其影响因素，从而揭示电池光电反应过程中能量损失的机制，并深入研究电荷在电池材料中的分离、输运以及复合过程的机制。本项目的成果将会为进一步为发展更高效率的电池提供科学的理论依据。这一研究也将推动界面科学在其它光电器件中的应用，并为今后相关领域的研究提供非常有价值的参考。

钙钛矿太阳能电池是一种以钙钛矿（Perovskite）材料为光吸收层的新型太阳能电池。仅用了8年时间，光电转化效率从3%提高到了22%，显示出了极强的竞争力。钛矿吸光层薄膜制备技术对电池光电性能有重要影响，因此对钙钛矿吸光层的制备方法的研究是高效、稳定钙钛矿太阳能电池的基础。此外，一些重要电荷分离和载流子传输机制问题尚未完全明晰，进一步提高太阳能电池效率亟需关于电池工作机理的理论研究。本项目在一步法及两步顺序法的基础上，通过调整工艺参数，如前驱体溶液的浓度、反应时间及反应温度等，研究对钙钛矿结晶性、薄膜形貌和电池光电转化效率的影响，找出关键制备技术参数和电池性能之间的关联。在此基础上，通过制备溴掺杂成分的钙钛矿材料，直接测量获得界面物质内部电子准费米能级分布信息，研究载流子传输性能，研究发现溴掺杂的钙钛矿材料促进了电子和空穴有效地分离，进而有效地提高电池的光电转化效率。以钙钛矿太阳能电池中关键界面为出发点，通过TiO2/CH3NH3PbI3界面优化，研究了界面性能对太阳能电池性能、重现性的影响，揭示载流子的传输机制。在钙钛矿和二氧化钛界面上加入一层偶联剂，发现偶联剂分子的刚性影响钙钛矿结晶性和钙钛矿薄膜形貌，并且探究了偶联剂的影响机理，揭示电荷在电池材料以及界面中的分离、转移以及复合过程。通过优化界面得到了均匀致密的钙钛矿薄膜，同时提高了电池的光电性能。该项研究对于加深理解钙钛矿太阳能电池的工作机理具有重要的意义，而且还为进一步开发高效率的钙钛矿太阳能电池提供了一定的理论指导和研究基础。