基于介孔氧化物纳米纤维的新型高效钙钛矿太阳电池研究

In the field of photovoltaic technology, novel perovskite solar cell with high efficiency has burst into the limelight in recent years, and it is one of Science's top 10 breakthroughs of 2013. The direct band gap, large absorption coefficient, and high carrier mobility of organic/inorganic hybrid perovskites render them very attractive as light harvesters in perovskite solar cells. A porous structured oxide layer, which is usually made of nanoparticles, plays a crucial role in supporting perovskite light absorbers and hole transporting materials (HTM) in this device. However, the infiltration of HTM in such a nanoparticulate film is relatively difficult, and the degree of infiltration is related to the so-called pore filling fraction (PFF) that was found to have a significant effect on the performance of this kind of solid-state cells. In this project, two different types of perovskite solar cells will be assembled base on electrospun mesoporous oxide nanofibers for the first time, and their photoelectric properties will be investigated systematically. The high specific surface area and porosity of mesoporous nanofibrous films facilitate the loading of perovskite absorbers and the filling of HTM, so the better performance of devices may be achieved. Moreover, the fabrication of nanofibers is very convenient, large-scale, and inexpensive via electrospinning method. In brief, this project has great scientific significance and bright prospect of application, and it will provide a unique insight into the design and development of new generations of photovoltaic devices with high efficiency and low cost.

新颖高效的钙钛矿太阳电池以具有直接带隙、大吸光系数、高载流子迁移率的有机/无机杂化钙钛矿材料作为吸光剂，是当前光伏技术领域的前沿热点，被《科学》评为2013年度十大科技突破之一。在器件中，多孔结构的氧化物层起着支撑钙钛矿吸光材料和空穴传输材料的关键作用，该膜层通常由纳米晶粒构成。但空穴传输材料在纳米晶粒膜中的渗透相对不易，而和渗透程度相关的所谓“孔填充率”正是影响这种固态电池性能的重要因素。本项目将首次基于静电纺介孔氧化物纳米纤维膜构建两种不同体系的钙钛矿太阳电池，并系统研究了它们的光电特性。介孔纳米纤维膜高的比表面积和孔隙率充分保证了钙钛矿吸光材料的吸附和空穴传输材料的填充，有望使器件获得更好的性能。同时，静电纺丝法制备纳米纤维的过程简便、可规模化生产、工艺成本低。因此，本项目具有重要的科学意义和应用前景，研究工作为设计和开发高效率、低成本的新一代光伏器件提供了一种独特的思路和方法。

钙钛矿太阳电池（PSSCs）由染料敏化太阳电池（DSSCs）发展而来。自2009年问世以来，经过短短几年的发展，电池的转换效率已经超过20%，2013年被Science评为年度十大科技进展之一。由于极高的效率、简单的工艺、较低的成本以及可柔性大面积制备等优势，PSSCs受到越来越多的关注，已成为光伏领域的研究热点。目前提高电池效率及改善其稳定性的方法主要包括器件结构的优化、膜层的形貌调控和界面缓冲层的修饰等。本项目主要探究了电池中的介孔层，致密层和对电极对光电性能的影响。. 对于PSSCs而言，介孔层担负着极其重要的作用，它不仅是电子传输层，更是作为吸光剂的钙钛矿晶粒的支撑骨架。介孔层的孔隙可以引导钙钛矿的晶粒生长，从而影响其结晶性和形貌。项目通过静电纺丝在处理过的FTO导电玻璃上制备TiO2纳米纤维膜，经过烧结得到FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2纳米纤维层的光阳极。此外又通过简便的刮涂法制备了基于TiO2纳米棒的PSSCs，TiO2纳米棒是将TiO2纳米纤维经过超声处理制得，直径和长度分别约为100nm和2μm。对比两种不同介孔层的PSSCs的性能，发现基于TiO2纳米纤维的电池具有更优异的光电性能，分析可知是因为纳米纤维层使光阳极膜具有更高的孔体积，进而提高了钙钛矿晶体的负载率。. 其次，对于PSSCs来说，影响电池效率的主要因素之一是光生电子与空穴传输层中的空穴发生复合，导致电流输出效率降低。目前普通采用的，被认为最能抑制电荷复合的方法之一便是在FTO导电玻璃和TiO2介孔层之间添加一层致密层，这样可以抑制电子逆向传输。项目分别通过水热法和旋涂法制备出两种不同的TiO2致密层，比较其对光电性能的影响。并通过水热法制备了不同厚度的TiO2致密层，以研究厚度对电池性能的影响，结果表明，致密层最佳厚度约为300nm。. 此外，目前大多数PSSCs研究是以Au作为对电极的，需要在高真空设备下制备，贵金属成本也较高，大规模生产将受到限制。因此，选择一种兼顾性能和成本的高性价比对电极材料对于PSSCs未来的发展至关重要，项目对此也进行了一些探索性研究，初步制备了基于碳对电极的PSSCs，但电池效率与基于金对电极的电池效率尚存在一定差距，需通过进一步的研究来加以优化。总的来看，基于碳对电极的PSSCs还是具有较大的发展潜力的。