钙钛矿型薄膜太阳电池活性层材料的设计与制备

As a new photovoltaic technology, perovskite solar cells based on organic-inorganic perovskites have been intensively investigated in the past few years. The power conversion efficiency of perovskite solar cells has improved from 3.8% to certified values of over 21.0% in just a few years. However, the perovskite based materials have long been suffered from several weakness, such as the lack of synthetic methods, instability in ambient condition, blur of crystallization mechanism, etc. Here, based on the first principle calculation, we firstly establish the methodology to screen and design perovskite based materials. Based on the crystallization behavior as observed, we then prepare perovskite crystals with specific facets. The structure-efficiency relation would also be investigated of the full solar cell devices and will be applied to develop low-cost, efficient and stable perovskite materials as well as photovoltaic devices which would pave the way for the large-scale applications of perovskite solar cells.

钙钛矿太阳电池作为一种基于钙钛矿有机-无机杂化材料的新型薄膜太阳能电池，近几年发展极为迅猛，其光电转换效率已从2009年的3.8%提高到如今的21.0%，引起了全世界科研工作者的广泛关注。针对钙钛矿活性层材料的合成方法单一、稳定性差、结晶理论不完善等现状，本项目将基于钙钛矿材料的多样性特点，借助理论模拟计算构建钙钛矿材料的设计与筛选原则；通过晶面调控工程可控合成暴露特定晶面的钙钛矿材料；分析其结晶学行为，提出新型钙钛矿材料合成新方法；通过材料性质表征与电池性能测试，进一步探究钙钛矿材料的微观作用机制及其表面微结构与电池光电转换效率的构效关系；开发出低成本、高效、稳定的新型钙钛矿材料，促进钙钛矿太阳电池的商业化进程。

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，能够代替非可再生化石能源，成为未来主要的能源来源。通过组装光伏器件以实现太阳光到电能的转化，是利用太阳能的重要途径。近年来，钙钛矿太阳能电池凭借高效率及成本优势受到了科学家的广泛关注，在众多太阳能电池中脱颖而出。.本项目围绕钙钛矿电池传输材料及光吸收层材料的设计合成、原子尺度的精确结构调控，及结构与性能之间的构效关系等，开展了系统的理论与实验研究，为实现高效率钙钛矿太阳能电池商业化发展提供应用基础和理论依据。具体开展了以下三个方面的工作：.（1）基于能带匹配原则，可控构建出多种结构新颖的电子传输层材料，优化了载流子传输，提高了器件性能；.（2）提出了高质量光活性层材料的可控合成策略，通过调控晶体结晶的过程，可控地合成了多种钙钛矿大单晶，澄清了光活性层表面原子排布对太阳能电池效率和稳定性的作用规律，开发了多种高效、稳定的钙钛矿功能材料，实现了钙钛矿太阳能电池稳定性和光电转换效率的同步提升；.（3）基于容忍因子和第一性理论计算，筛选可自发梯度分布在钙钛矿固溶体材料的掺杂离子，并成功制备出了自发梯度掺杂的光活性材料，提高光电性能。.本项目围绕钙钛矿材料设计筛选、结晶学行为研究与材料制备、电池组装与测试、电荷传输机制方面展开进行，重点对钙钛矿材料筛选方法的构建、新合成方法的研究以及钙钛矿电池作用机制等方面进行研究，从而为开发低成本、高性能、稳定的钙钛矿电池提供理论依据和应用基础。