叶绿素-钙钛矿杂化结构作为界面修饰层在钙钛矿太阳电池上的应用研究

In CH3NH3PbX3 (X = Cl，Br，I)-based perovskite solar cells, some defects of the perovskite crystals formed on the interfaces of active layer/electron (hole) transporting layer can function as the traps states of charge carriers resulting in substantially reduced photovoltaic performance and durability in such solar cells. In order to reduce the trap states on the interface, the use of an interfacial buffer layer in between the active layer and carrier transporting layer is most effective. In particular, organic-inorganic hybrid materials that simultaneously possess controllable molecular energy-band-levels and high carrier mobility are potentially outperforming other organic or inorganic materials as buffer layer in perovskite solar cells. In the present investigation, organic-inorganic perovskite interfacial buffer layer will be grown on the TiO2 semiconductor surface by self-assembling method using cost-effective chlorophyll derivatives as the organic ligand templates. The correlations between the molecular structure of chlorophyll derivatives and photovoltaic performance of corresponding perovskite solar cells will be established. Furthermore, molecular engineering will be carried out on the chlorophyll derivatives to optimize the optoelectrical properties of the organic-inorganic hybrid buffer layer. The mechanism of charge-separation processed at the interface with and without the presence of buffer layer will be studied in details to obtain essential information for further development of perovskite solar cells.

在钙钛矿太阳能电池当中，钙钛矿活性层与电子／空穴传输层之间的界面欠陷极大的降低了这一类电池的光电转换效率和稳定性。本研究通过开发一种兼具无机半导体的高载流子迁移率和有机半导体的分子能级可控优势的，以脱镁叶绿素衍生物分子作为自组装模板的有机－无机杂化钙钛矿界面修饰层来修饰钙钛矿电池中的钙钛矿活性层/二氧化钛阴极之间的界面，防止因欠陷的存在而导致的电荷复合，从而提高钙钛矿电池的光电转换效率及稳定性。其中，脱镁叶绿素衍生物不但具有低成本，能级可控，物理化学性质清楚等优点，而且可以通过其具有配位活性的胺根阳离子与碘化铅形成稳定的，具有一维取向的钙钛矿结构。通过变换叶绿素衍生物的分子结构来建立起界面修饰层材料结构与钙钛矿光伏电池效率之间的关系。并进一步的阐述存在有机-无机杂化界面修饰层条件下的钙钛矿电池界面电荷分离机制，为将来钙钛矿太阳能电池的发展打下基础。

钙钛矿太阳能电池是一种新型的，高效率，低成本的光伏体系，具有替代现有光伏电池的潜力。本项目针对钙钛矿电池当中界面修饰层材料价格昂贵，结构功能单一的问题，选取了叶绿素衍生物作为一种新型的钙钛矿电池界面修饰材料。我们在2016年ChemSusChem的论文(见成果1）当中，在世界上首次证明了具有卟啉/叶绿素结构的材料可以用于钙钛矿电池界面修饰层。其后又研究设计了不同的叶绿素衍生物分子结构，特别是针对具有不同的叶绿素环，细菌叶绿素环及卟啉环的叶绿素衍生物材料进行了优化，测试了相关材料的半导体，光学及电学特性，并应用于钙钛矿电池当中。通过对叶绿素侧链基团的优化，实现了12%左右的光电转换效率。更进一步，我们通过引入我们同期在生物电池研发（见成果12及25） 当中发现的双层叶绿素结构，我们实现了基于叶绿素界面修饰层的钙钛矿电池超过14%的光电转换效率，相关工作还被选为杂志封面重点介绍（见成果32）。我们的研究提供了一种重要的钙钛矿电池高效率，低成本的解决方案，为钙钛矿电池的产业化打下了基础。