基于前置透明电子/空穴传输层结构的单晶钙钛矿太阳能电池研究

For the two-side electrodes structured single-crystalline perovskite solar cell (SC-PSC), due to the high resistivity of the perovskite material and much smaller light depth in perovskite than device thickness, the photo-generated carrier need transport through a high resistance region before being collected by the electrodes. This hinders the charge collection efficiency and photovoltaic performance of SC-PSC. In this project, front side electron and hole transport electrodes with high transparency will be developed. By utilizing the high carrier extraction at the transport layers and single-crystalline perovskite interfaces, both photo-generated electron and hole will be collected at the front side (incident light side), which will reduce the resistance during carrier collection and should enhance the charge collection efficiency and photovoltaic performance of SC-PSC. To finish this project, the basic optical and electrical properties of the transport layer and perovskite material will be investigated as well as the carrier dynamics at the transport layer and perovskite interface. Then, the electrical and optical properties of the frond side electrodes will be designed according to the carrier diffusion length in perovskite crystal and minimum light reflection at the electrodes. Finally, single-crystalline perovskite solar cells based on front side collection electrode will be fabricated, characterized and analyzed, during which the basic working principle of the front side solar cells will be demonstrated and further optimization strategy will be proposed. This work will provide fundamental working principle of single-crystalline perovskite solar cells and may pave the way for the development of high performance single-crystalline perovskite solar cells.

采用双面电极结构的单晶钙钛矿太阳能电池，由于单晶钙钛矿材料电阻率高、无法薄膜化及光在其内部穿透深度小的原因，光生载流子需要穿过一个高电阻区域才能被两侧电极收集，是造成单晶钙钛矿太阳能电池中光生载流子收集效率低和光电转换效率低的主要原因。为解决此问题，本项目拟采用前置透明电子/空穴传输层的电极结构，利用电荷传输层对钙钛矿内光生载流子的快速抽取，实现电子和空穴同时在光入射面的收集。此过程中载流子无需穿过高电阻区域，从而有利于提高载流子的收集效率和器件的光电转换效率。在探究电荷传输层和钙钛矿材料基本光电性质及两者界面载流子传输动力学的基础之上，通过对电极的电学特性和光学特性的设计、太阳能电池器件的组装及表征，研究前置电极的光电特性、物理结构对载流子收集效率的影响，阐明前置电极结构单晶太阳能电池的工作机制，为发展高性能单晶钙钛矿太阳能电池提供可行的设计策略和技术路线。

单晶有机无机杂化钙钛矿材料具有更低的缺陷态密度、更长的载流子寿命和更大的载流子迁移率，被认为是制作太阳能电池的理想选择。钙钛矿材料的吸光系数在10E5 cm^-1量级，即1 μm厚的钙钛矿材料就可以100%吸收入射光中大于其带隙的光子，从而可高效地吸收光子及后续的载流子收集。如果采用较厚的钙钛矿单晶薄膜，则由于大于其吸光长度（1 μm）的区域，仅充当串联电阻的作用，从而无法实现高效率的光电转换。为解决此问题，本项目提出了采用前置透明电子/空穴传输层结构的单晶钙钛矿太阳能电池，在光生载流子产生的区域将其有效地抽取，以缓解单晶钙钛矿电池中吸光长度和薄膜厚度之间的矛盾。.项目执行期间主要研究了电荷传输层的沉积及其对器件性能的影响、生长条件控制对晶体形貌和晶体质量的影响、前置电极太阳能电池器件及其性能。主要结果如下及结论：.1. 电子束蒸发蒸镀的电子传输层（Nb2O5）和空穴传输层（NiO）无需后续处理即可实现高效的电荷分离与收集功能；但将两者蒸镀到钙钛矿材料表面时，采用XRD检测未发现沉积过程对钙钛矿层有破坏作用，通过瞬态荧光和电压电流测试却发现电荷传输层无法有效抽取电子和高效界面传输，这可能和界面处钙钛矿层的损伤有关；另外，有氧化物传输层保护的钙钛矿材料在空气中具有良好的稳定性。.2. 采用连续晶体生长的方法，获得了最大120 mm的钙钛矿单晶；采用局部温度降低诱导结晶的方法，直接在溶液的表面获得了钙钛矿晶片。调控晶体生长溶液的温度，使溶液处于非饱和区和成核区中间的平衡生长区，可获得结晶质量更好（半峰宽仅为0.021°）、缺陷态密度更低（6.7 × 10E9/cm3）的大尺寸钙钛矿单晶，且该晶体显示出良好的空间均匀性。.3. 组装了电极间距为50 μm的前置透明电子/空穴传输层结构的单晶钙钛矿太阳能电池，其性能参数为：Jsc=8.02 mA/cmG^2、Voc=0.980 V、FF=0.332、PCE=2.61%，目前效率的短板在于低的短路电流和填充因子，这可能是由于较大的电极间距所致，需要进一步减小电极之间的间距来提高载流子的收集效率和器件的光电转换性能。