少铅Cu基杂化钙钛矿太阳电池的制备与性能调控

The solar cell based on the hybrid perovskite material CH3NH3PbI3 has achieved a conversion efficiency of 22.7%, which makes it a research hotspot. However, the light-absorbing material used in this type of solar cell is a highly toxic Pb-based hybrid perovskite. Considering environmental protection, the large-scale application of this type of light-absorbing material will be subject to certain restrictions. Our research team has prepared Pb-based perovskite solar cell with a photoelectric conversion efficiency of 18% and Cu-based of 2% in the previous studies. It was found that the pure lead-free perovskite solar cell has low photoelectric conversion efficiency. Therefore, this project intends to reduce the amount of Pb in the light-absorbing material of perovskite solar cell, and a series of lead-less perovskite (RNH3)2(CH3NH3)n-1CuyPb(n-y)X3n+1 will be prepared by partially replacing Pb with Cu. Then applied to perovskite solar cells for the study of photoelectric properties. The crystal structure, band structure, exciton binding energy, optical and optoelectronic properties of the hybrid perovskite material are regulated by adjusting the type of organic material and the ratio and thickness of the inorganic sheet. So that the energy level will be matched with the TiO2 or ZnO energy level to obtain better photoelectric performance.

基于杂化钙钛矿CH3NH3PbI3的太阳能电池获得了22.7%的转换效率，良好的发展前景使其成为研究热点。但该类型太阳电池使用的吸光材料是毒性大的Pb基杂化钙钛矿，从环保角度考虑，该类型光吸收材料的大规模应用必然会受到一定的限制。本研究团队前期已制备出18%光电转换效率的Pb基钙钛矿电池和2%光电转换效率的Cu基钙钛矿电池，发现纯无铅钙钛矿电池的光电转换效率较低，因此本项目拟从减少钙钛矿太阳电池吸光材料中Pb的含量出发，尝试用Cu部分取代Pb制备一系列少铅钙钛矿(RNH3)2(CH3NH3)n-1CuyPb(n-y)X3n+1，并将其应用于钙钛矿太阳电池进行光电性能的研究。通过调节有机物的种类和无机片层的配比及厚度对杂化钙钛矿材料晶体结构、能带结构、激子结合能、光学以及光电性能进行调控，使其能级与TiO2或ZnO能级匹配，从而获得较好的光电性能。

Pb基钙钛矿杂化电池获得了较好的光伏性能，但是由于其稳定性和毒性问题，使其应用受到一定的限制，因此，少铅和无铅是以后钙钛矿太阳电池必然的发展趋势。锡铅混合钙钛矿电池取得了较高的效率，但存在稳定性差的问题。前期研究发现，低毒性、更稳定的Cu基钙钛矿电池效率低，因此采用Cu部分取代Pb制备少铅钙钛矿材料应用于太阳电池，在提高稳定性的同时降低Pb的含量，减少对环境的污染。. 采用磁控溅射技术获得ITO柔性电极，退火后ITO薄膜的结晶性能均得到改善，在800 ℃下电阻率显著降低，最低电阻率仅为4.08×10-4 Ωcm，在可见光范围内的平均透光率在85%以上，可用于电池电极。. 为开发少铅钙钛矿材料，设计制备了R(CH3NH3)n-1CuyPbn-yX3n+1一系列材料，其中R为(HOC2H4NH3)2，(NH3C6H12NH3) 和(3-BrC3H6NH3)2等。研究了Cu/Pb摩尔比从0.05:0.95到0.95:0.05时材料的性能。发现其中采用3-BrC3H6NH4Br铵盐的钙钛矿有较宽的吸收光谱和较好的性能；且随着Cu含量的增加，钙钛矿材料有向二维钙钛矿转化的趋势。此外，我们还开发了具有紫外探测潜力的无铅钙钛矿材料N6AHMC-ZnCl4，能与p型钙钛矿能级匹配的高性能n型有机材料2，5-二氟代苯基苝酰亚胺，在太阳电池中有较好的应用前景。. 设计制备了FTO/TiO2致密层/(3-BrC3H6NH3)2(CH3NH3)n-1CuyPbn-yX3n+1/Spiro-MeOTAD /Ag平面、共混和互穿网络三种结构少铅钙钛矿电池器件，发现随着Cu含量的增加，电池性能下降。当Cu/Pb摩尔比为0.05:0.95时，器件最高效率为8.60%。在150℃下，退火30分钟后器件效率提升至9.13%。研究结果为少铅钙钛矿太阳电池的开发设计提供了数据，带来了新的研究方法和思路，顺利完成了预期的目标。