基于微纳光学结构的超薄高效无铅钙钛矿太阳能电池的设计与制备

Recently, perovskite solar cells attract a lot of attention worldwide because of the fast improving energy conversion efficiency. To realize commercial applications of this technology, it is important to develop efficient, stable and low cost lead free perovskite solar cells. However, suffering from short diffusion length (~100nm), currently the efficiency of lead free perovskite solar cells is only around 6%. Therefore, to achieve high energy conversion efficiency, it is critical to design and apply nanophotonic structures to significantly enhance the absorption of thin lead-free perovskite film. We plan to develop high-efficient lead-free perovskite solar cells through nanophotonics design, materials synthesis and assembly, and device fabrication. We aim to achieve lead-free perovskite solar cells with a 10% efficiency. Through the investigation of this project, the new design path of high efficiency lead-free perovskite solar cells will be theoretically developed and experimentally explored, which would contribute to the development and the ultimate applications of this type of photovoltaic devices.

近年来，钙钛矿太阳能电池因其快速增长的转换效率引起了国内外广泛关注。发展高效、稳定、低成本的无铅钙钛矿电池成为新的研究重点，但现阶段其转换效率仍然较低（~6%），原因在于无铅（如锡）钙钛矿材料的载流子扩散长度仅有～100nm。因此，设计并利用亚波长尺度微纳光学结构，使得很薄的无铅钙钛矿材料实现宽谱而充分的太阳光吸收，对于获取高转换效率、低成本、高稳定性的无铅钙钛矿太阳电池具有重要的科学意义和应用价值。本项目拟通过金属-介质（半导体、绝缘体）复合纳米结构理论设计，材料合成与自组装，器件制备，将纳米光学结构引入无铅钙钛矿太阳能电池，使其同时达到充分的吸收和较低的载流子复合率，从而实现高转换效率(~10%)的无铅钙钛矿太阳能电池。基于本项目的研究对于理解钙钛矿电池的光电转换过程的物理机制、为寻找更高效的电池材料提供理论和实验依据，并为缓解国家能源短缺问题、发展高效率的清洁能源提供新的解决方案。

得益于优异的光吸收、长的载流子寿命和低成本的制备材料制备工艺，钙钛矿成为了近十年来太阳能电池领域最炙手可热的材料，铅基钙钛矿太阳能电池仅用了不到10年的时间即达到了25.2%的效率。为降低铅的环境污染风险，4年前项目提出基于人工微纳结构超薄钙钛矿材料探索无铅/低铅钙钛矿电池的可能的方案。项目执行四年来，我们围绕微纳结构光学设计、界面钝化层设计、材料成膜工艺和级联器件设计等方面，探究了微纳结构无铅/低铅钙钛矿太阳能电池的设计与制备，主要研究成果包括：.1）我们设计并合成了二氧化硅包金纳米棒的核-壳结构，研究了这种复合结构的光散射和光吸收性质，并将其应用于层状钙钛矿电池中，详细探究纳米颗粒自组装技术与层状钙钛矿太阳能电池制备工艺的兼容性。研究发现加入金纳米棒可增强钙钛矿电池的吸收，从而提高外量子效率。.2）该项目还不断研究制备高性能的铅基钙钛矿器件，通过电子传输层以及空穴传输层的优化，增强电荷传输，以及通过界面处旋涂钝化层，减少器件工作过程中界面处的载流子复合损失，不断提高器件的短路电流和开路电压，目前已经可以制备近23%的常规带隙钙钛矿电池。.3）此后我们系统性的研究无铅钙钛矿太阳能材料的制备生长过程，与传统铅基钙钛矿不一样的是，锡基钙钛矿材料对于溶液的选择更加苛刻，同时因为过快的结晶速度，极大的限制了该材料的成膜，多孔疏松的薄膜会引发进一步的器件短路以及稳定性退化等问题，通过不断尝试研究，成功依靠引入气相蒸镀，调节反应环境，控制成核以及生长速度，制备出微米级晶粒，此外，这种溶液与气相结合的方法成功运用于有机无机杂化以及纯无机锡基钙钛矿中。.4）然而，由于锡基钙钛矿二价锡元素的不稳定性，在空气中极易氧化，导致纯锡基器件的制备及运用都被苛刻的实验条件所限制，因此项目组成员根据相关论文以及实验摸索，证实了通过调节铅锡元素的混合比例，可以大大加强器件的稳定性，同时还能达到调控材料带隙的效果。后期工作通过加入锡粉，使得器件空气中都能相对稳定的工作，该材料1.2eV左右的带隙与宽带隙的纯铅钙钛矿电池相匹配，后续研究成功制备钙钛矿-钙钛矿叠层电池，成为世界纪录保持者（24.8%）。. 该项目在提高钙钛矿效率以及研究制备无铅钙钛矿太阳能电池方向取得较大突破，个别成果对世界领域的研究有着一定推动作用。