含锡钙钛矿太阳电池中成分梯度吸光层的设计和制备

Perovskite solar cells have excellent solar to electric conversion efficiency and solution processability, which becomes an important candidate for low cost photovoltaic application. Although perovskite solar cells with lead element achieve promising performance, their energy band gaps are obviously larger than the optimized band gap of Shockley-Queisser limit. For Sn/Pb mixed perovskite materials, the band gaps can be modified by controlling the ratio of Sn to Pb, which can be used for further improving the performance of perovskite devices. And the consumption of Pb compound can also be reduced. However, tin doping increases the density of defects in perovskite layers, and it degrades the performance of perovskite solar cells by increasing recombination process. By controlling the gradient of composition, graded band gap can be formed, which leads to quasi-electric field and modifies the charge transport/recombination process. In this project, we will study the effect of graded band gap and quasi-electric field on the light absorption and recombination. The distribution of band gap and quasi-electric field in perovskite layers can be controlled by developing effective preparation methods for graded light harvester layers, which inhibit recombination processes and promote perovskite solar cells with tin element.

钙钛矿太阳电池性能突出，并且可以用溶液工艺制备，成为低成本光伏器件的重要解决方案。虽然卤化铅钙钛矿太阳电池已经获得了可观的转换效率，但其带隙宽度明显大于单结太阳电池的理想值。锡铅混合卤化物钙钛矿材料通过控制含锡比例，可以在很大范围调控带隙宽度，为进一步提高钙钛矿器件性能提供了条件，锡部分取代铅还可以减少铅的用量。但是，锡的掺入同时增加了钙钛矿吸光层中缺陷密度，使复合速率增加，严重影响了含锡钙钛矿太阳电池的性能。通过在钙钛矿吸光层中引入成分梯度，由于带隙的变化可以在吸光层中产生准电场，从而调控光生载流子的传输/复合过程。在本项目中，将研究带隙梯度和准电场对光吸收过程和复合过程的影响，通过开发成分梯度吸光层的可控制备方法，获得稳定的成分梯度结构，调控吸光层中的带隙变化和准电场分布，从而抑制复合过程并改善含锡钙钛矿太阳电池性能。

钙钛矿太阳电池具有成分性能可调控、可以低温溶液工艺制备和光电性能优异等突出优势，是太阳能器件领域的研究前沿，在太阳光转换效率方面已经达到较高水平，器件性能的进一步提高有赖于新机理和新材料的引入。通过调控钙钛矿成分优化吸光层能带结构，是改善器件性能的重要手段。掺入锡等非铅元素，虽然可以有效调控钙钛矿能带结构，但也会引入缺陷并影响电荷收集过程。在这一项目中，我们提出通过在吸光层中引入成分梯度，使其在深度方向产生能带梯度，形成准电场促进吸光层中载流子的收集过程，同时研究抑制载流子复合过程的方法，从而实现器件性能的提高。数值模型研究表明吸光层两端能级位置应满足加强内建电场的原则，另外降低复合速率可以有效改善器件性能。进一步开发了量子点旋涂和旋涂原位反应两种成分梯度吸光层制备方法，实现了吸光层成分梯度结构的可控制备。通过CsSnI3-FASnI3、(FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4-CsPbBr3、CsPbI3-FAPbI3、MAPbI3-CsxMA1-xPbBrxI3-x等四个成分梯度吸光层体系，研究了能带梯度和诱导结晶等效应对器件传输复合过程的影响，实现了器件光伏性能的提升。为进一步降低器件中的复合过程，还研究了醋酸根和硫氰酸根对钙钛矿薄膜中缺陷态和复合过程的抑制作用，以及Cu掺杂Ga2O3传输层、纳米颗粒改性TiO2传输层、低温制备SnO2传输层和炭黑接触层对界面复合过程的抑制作用，通过上述研究获得的器件太阳光转换效率可以达到19.5%。在本项目研究过程中，相关研究成果已发表SCI论文7篇，申请发明专利3项其中已授权1项。通过本项目的研究工作，掌握了钙钛矿太阳电池中成分梯度吸光层的设计原理和制备方法，探索了几种梯度吸光层体系的基本规律，研究了抑制器件中复合过程的有效手段，相关成果可以为钙钛矿太阳电池器件性能的进一步提高铺垫可行途径。