离子迁移对钙钛矿太阳能电池稳定性的影响机制及解决方案

Recently, the perovskite (ABX3, A=Cs+, CH3NH3+(MA+), NH=CHNH3+(FA+); B=Pb2+, Sn2+; X= Cl-, Br-, I-) solar cells have been made extremely rapid progress. However, the stability of the perovskite solar cells appears to be the bottleneck toward its commercialization. In the present project, we will focus on the formation mechanisms of ions migration and solutions to strengthen the stability of perovskite solar cells. The uniform ABX3 perovskite thin films with higher lattice energy can be obtained by means of ionic replacement and solution-assisted crystallization, which is able to alleviate the charge accumulation induced by the defects in film and thereby enhance the stability of solar cell. The mechanisms of hysteresis effects, the motivation, types and channels of ions migration are going to be explored in view of microscopic dynamics by the combination techniques of transient photovoltage decay and migration of positive/negative ions induced by the electric field. On the basis, we will study systematically the effect of ions migration on the stability of perovskite solar cells upon light soaking and/or with thermal treatment, and eventually long-term stable perovskite solar cell with efficiency above 20% is supposed to be obtained.

近年来，基于钙钛矿材料（ABX3, A=Cs+, CH3NH3+(MA+), NH=CHNH3+(FA+); B=Pb2+, Sn2+; X= Cl-, Br-, I-）的新型太阳能电池取得了突飞猛进的进展。然而，电池的稳定性成为限制其进一步发展的瓶颈。本项目将围绕薄膜内离子迁移的形成机制和对电池稳定性的影响机制及解决方案展开，通过离子取代、溶剂辅助结晶等方法获得晶格能更高的钙钛矿材料，降低表面陷阱态诱导的电荷堆积，从而增强钙钛矿薄膜结构的稳定性。通过瞬态光电压和外电场诱导下正负离子自由基的迁移状况等微观动力学研究，明确电池迟滞效应的形成机制和离子迁移的诱发机制、迁移类型和迁移通道等，进一步阐明在一定光、热条件下，薄膜内的离子迁移对电池稳定性的影响机制，提出解决方案，最终制备稳定转换效率高达20%的钙钛矿太阳能电池。

新型钙钛矿太阳电池以其优异的光电特性以及低廉的制备成本等特点，被认为是下一代最具应用前景的光伏技术之一。然而，稳定性问题是目前阻碍钙钛矿器件产业化“卡脖子”的问题，本项目立足于材料-结构-性能的构效关系，针对钙钛矿材料和器件中的离子迁移问题，通过研究溶剂工程、组分工程和界面工程中的关键科学问题，最终实现制备高效率、高稳定钙钛矿太阳电池（>22%）。主要发现及创新点如下：（1）溶剂工程：提出活性分子溶剂精确诱导钙钛矿选择性自组装成膜的新思路和新方法。该技术通过配体交换控制钙钛矿晶体成膜前后的体积收缩膨胀比，释放了薄膜内部残存的应力，解决了传统湿法制备工艺中薄膜覆盖度低的难题。（2）组分工程：构筑了系列维度可调控的钙钛矿材料体系，实现了多维度杂化钙钛矿薄膜的可控制备。通过结构维度杂化实现了电子轨道耦合，抑制了钙钛矿原发性缺陷和离子迁移，使太阳电池的效率和稳定性同时得到了显著提升。（3）界面工程：开发了全新倒置结构的全无机钙钛矿太阳电池及电池界面调控新方法。器件中具有阶梯能级的氧化锌与富勒烯（ZnO@C60）双电子传输层结构能够加速电荷的抽取与输运，抑制载流子在界面的复合和离子迁移，同步提升了电池的效率与热稳定性。本项目中的材料设计、结构构筑和缺陷钝化为制备高效率、高稳定的钙钛矿太阳能电池提供了新的思路和方法，为该领域后续研发奠定了具有普适性的理论和实验基础，有利于推进钙钛矿太阳电池的产业化进程。.本项目所有指标均超出预期，项目负责人范建东以第一或通讯作者共发表高水平SCI论文20篇（暨南大学均为第一或通讯单位），包括JACS（1篇）、EES（1篇）、AEM（4篇）、AFM（2篇），高被引论文2篇，总引用1000余次，相关研究获得了国内外同行在Science, Chem. Rev., Nature Commun.,等期刊的正面引用和好评。完成人申请国内外专利21项（目前授权5项）；培养青年教师2人，培养研究生10名，项目负责人获广东省“珠江人才”计划项目（2018年），团队成员获广东省杰出青年基金项目资助（2019年）。.