基于量子点/导电高分子透明对电极双面光响应钙钛矿太阳能电池研究

High cost and inferior utilization of high and low energy photos limit the practical application of perovskite solar cells. In this proposal, a new design of perovskite solar cells with both sides responsive bifacial structure is proposed, where quantum dots such as CdSe, Ag2S and black phosphorus which possess UV or visible or infrared absorption properties are used as light absorber and incorporated into transparent conductive polymer counter electrode (CE)（PANI, PEDOT:PSS）to prepare light-active compond CE. By adjusting the interface properties of the composites, the enhanced light absorption and the light-to-electric conversion efficiency of the perovskite solar cells is expected. Meanwhile, this low-cost quantum dots/conductive polymer CE desired to replace expensive metal CE and hole transporting materials (HTM) for perovskite solar cell can efficiently reduce the cost of the device. In summary, the proposal raised here can help fully understand the enhancement mechanism of light-responsive quantum dots/conductive polymer composite CE based bifacial perovskite solar cell, and the mechanism of the charge separation, transporting and recombination at the interfaces of perovskite solar cell. This result can provide valuable theoretic and experimental bases for high-efficiency, low-cost and full light absorption perovskite solar cells.

传统钙钛矿太阳能电池成本高，对太阳光中高能及低能光子的利用率低限制了其发展，为解决该问题，项目提出一种基于量子点/导电高分子复合对电极的双面光响应钙钛矿太阳能电池。该结构以多孔导电高分子透明薄膜（PANI, PEDOT:PSS）作为载体，采用纳米复合组装及界面调控手段容纳具有紫外或可见或红外吸光特性的量子点（CdSe、Ag2S、黑磷）作为吸光介质，得到光响应复合对电极与光阳极形成互补光吸收。通过薄膜转移层压法将复合对电极无损转移到钙钛矿吸光层表面形成具有良好背接触的双面光响应钙钛矿太阳能电池。项目将重点研究该电池宽光谱光电转化机制，揭示工艺条件对器件光电性能的影响规律，阐明器件中界面电荷分离、传输及复合的动力学机理。项目运用具有空穴传输能力的高功函数导电高分子代替传统结构中空穴传输层及贵金属对电极，有效降低成本。该研究可为设计低成本宽光谱吸收钙钛矿太阳能电池提供理论依据。

申请人2018-2021年主持的项目“基于量子点/导电高分子透明对电极双面光响应钙钛矿太阳能电池研究”获得基金委的立项，项目编号为61774169，经过4年的工作，此项目获得如下成果，发表SCI论文15篇，其中影响因子大于17文章1篇，1区论文4篇，中文A类论文6篇；获得授权专利16项；省部级奖励3项；培养硕士研究生7名，博士研究生6名，顺利按计划完成项目的总体目标，研究工作内容总结如下：.本工作以量子点合成及导电聚合物透明对电极研究为基础，将其应用于双面进光太阳能光伏器件，获得宽光谱响应及双面进光器件。从以下三个方面进行研究：1）量子点材料的合成及其在双面进光染料敏化太阳能电池的研究。采用水相共沉积法、溶剂热法、电沉积以及化学氧化法制备形貌尺寸可控或具备良好导电性和吸光性能的Ag2Se，NiO，PEDOT，氧化石墨烯等半导体，对TiO2和钙钛矿以及对电极进行功能改性，设计出能够吸附更多量子点和染料的TiO2以及具有良好导电性且透明的PEDOT，氧化石墨烯/PANI对电极，用于构建可双面进光染料敏化太阳能电池；2）钙钛矿太阳能电池基础性能优化及稳定性研究。以无机半导体取代钙钛矿太阳能电池中昂贵传统有机聚合物空穴传输层，辅以聚合物改性，得到低成本高稳定性的钙钛矿太阳能电池；3）双面进光钙钛矿太阳能电池的研究。研究透明对电极吸光特性、电催化活性对双面光响应钙钛矿太阳能电池电荷载流子传输行为差异，最终获得光电转化效率接近20%，未封装器件室温湿度稳定性达到348天的高效高稳定钙钛矿太阳能电池，为提高钙钛矿太阳能电池稳定性和光电性能提供理论依据