基于二维Ruddlesden-Popper型钙钛矿的高稳定太阳电池研究

In the past few years, the emergence of the solar cells based on organic-inorganic perovskites has triggered a phenomenal advance in the photovoltaic efficiency，but simultaneously achieving high long-term stability has proved challenging. The frequently used three-dimensional perovskites for high efficiency solar cells tend to degrade in the atmosphere and the formation of the perovskite crystalline is hard to control, which retard the production process of the perovskite solar cells. In this work, we adopt some hydrophobic, photo-resistant and high photoluminescence efficiency two-dimensional perovskites which we previously studied, and design composite structures for solar cells. We will carry out systematic research on the relationships among the number of inorganic sheets, the band gaps, the carrier diffusion length and mobility, and make clear the influences of different preparation conditions on the crystal structures during the fabrication process of the solar cells. With the hot-cast technique, we investigate the crucial condition to make that the crystallographic planes of the inorganic perovskite component have an out-of-plane alignment with respect to the contacts in planar solar cells to facilitate efficient charge transport. Additionally, the stability and the electrical parameters of the solar cells will be tested and analyzed, in order to optimize the performances of the devices. By using the two-dimensional Ruddlesden-Popper perovskites, the photo-stability and the moisture resistance of solar cells can be enhanced. Moreover, the charge-transport properties, the interface morphology, as well as the photovoltaic performance will be improved. The results of this study will provide new ideas for the design of highly stable perovskite solar cells.

近年来，有机无机钙钛矿太阳电池的转换效率不断攀升，然而电池稳定性低的问题仍未被有效解决。目前高效率电池普遍采用的三维钙钛矿材料容易降解、结晶质量难于控制，严重阻碍了钙钛矿电池产业化。本项目采用前期研究中发现的具有斥水、抗光漂白特性，以及发光效率高的二维钙钛矿分子，设计新的混合体系并用于电池的制备。本工作将系统研究混合体系无机层层数，与带隙宽度、载流子扩散长度、迁移率等特性的关系。深入理解电池制备中不同条件因素对晶体结构产生影响的规律。结合热旋涂技术，掌握新体系下二维层状结构翻转为纵向排列形式的关键，打通电荷传输的壁垒。进而，对电池的稳定性与电学性能进行测试与分析，逐步优化电池器件。这种基于二维Ruddlesden-Popper型钙钛矿的太阳电池在光照、潮湿条件下的稳定性将明显增强，同时电荷传输特性、界面平整性、光电性能也会进一步提高。研究结果可以为高稳定的钙钛矿太阳电池设计提供新思路。

有机无机钙钛矿太阳电池的转换效率不断攀升，然而电池稳定性低的问题仍未被有效解决。本项目采用了前期研究中发现的具有疏水、抗光漂白特性，以及发光效率高的二维钙钛矿分子，构筑新的混合体系并用于电池的制备,达到增强器件稳定性的目的。在研究中我们使设计的二维层状结构翻转为纵向排列形式，并使量子阱反向分布（即小n值的相主要分布在薄膜表面而大n值相集中在薄膜底部）。这种与常规量子阱迥异的阶梯状分布使不同相之间组成了第二型能级排列，不但有利于自驱动电荷的传输，而且拓宽了光子吸收范围。最终基于环己烷甲胺的钙钛矿太阳能电池取得了1.10 V的高开路电压，达到了15.05%的能量转换效率。这一结果是迄发表日具有正式结构的甲胺系二维钙钛矿太阳能电池的最高效率。本项目同时提出了一种具有普适性的有机分子调控策略以提升电池性能的方案。我们选择了对氟苯乙胺与甲脒构筑准二维钙钛矿体系，使薄膜结晶度及垂直取向明显提升，相应的器件效率也从8.03%攀升至16.15%。最终，我们所设计的新型准二维钙钛矿电池稳定性得到了显著增强：历经4600小时仍保有初始效率的95%以上。这一结果远高于已报道的准二维钙钛矿太阳电池的稳定性指标。.此外，在二维钙钛矿体系的载流子动力学研究中，我们扩展研究了二维有机无机钙钛矿体系中能量机制，发现了无机层向有机分子萘甲胺的三线态能量转移过程是通过亚皮秒的空穴转移介导的分步三线态能量转移机制实现。在太阳电池的分析测试技术研究方面，我们提出了一种双光谱测量分离出电池前、后表面复合速率的方法。通过对过剩少数电荷载流子浓度衰减曲线的拟合，获得过剩载流子密度、寿命随体材空间的纵向分布，并基于此原理设计了一种太阳能电池损耗参数测量分析系统，获发明专利一项。.在本项目的资助下，共发表包括国际SCI论文6篇，包括以封面文章形式发表的Advanced Energy Materials。我们已完成了项目设定的指标，为未来可产业化的高稳定的钙钛矿太阳电池材料设计和表征技术提供新思路。.