高效稳定钙钛矿/体异质结集成太阳电池的研制

Perovskite solar cells (PSCs) are rapidly advancing since 2009. The power conversion efficiency (PCE) of PSCs has exceeded 22%. However, the light absorption of the active materials of common PSCs can only reach 800 nm, limiting the short circuit current density (Jsc) and the PCE. Perovskite/bulk heterojunction integrated solar cells (ISCs) use low bandgap polymers to expand the photoresponse of PSCs, thus providing a new approach to further improve Jsc and PCE. However, the research of ISCs is still in its infancy. This project is aiming at developing high-performance and stable ISCs. It includes: (1) design and synthesis of efficient low bandgap polymers for ISCs; (2) design and synthesis of efficient cathode interfacial materials for ISCs; (3) optimization of the fabrication conditions to obtain high-performance and stable ISCs. Through this research, we can broaden the photoresponse, improve the electron transport between active layer and cathode, reduce the charge carrier recombination and largely improve the Jsc and PCE for ISCs. Finally, high-performance and stable integrated solar cells can be obtained.

2009年以来钙钛矿太阳电池迅速发展，能量转换效率已突破22%。但常用钙钛矿电池活性材料光吸收波长只能达到800 nm，限制了电池短路电流和能量转化效率的进一步提高。钙钛矿/体异质结集成太阳电池利用体异质结电池中的窄带隙共轭高分子给体拓宽光谱响应，为提高钙钛矿电池短路电流和效率开辟了一条新途径。集成太阳电池研究还处于起步阶段，针对目前集成电池的不足，本项目拟开展以下几方面研究：（1）设计合成应用于集成电池的高效窄带隙聚合物给体材料;（2）设计合成应用于集成电池的高性能阴极界面材料;（3）优化制备工艺获得高效稳定集成电池。实施本项目，有望拓宽电池光谱响应范围，促进体异质结层与金属电极之间的电子传输，减少复合，大幅提高短路电流和能量转化效率，获得高效稳定钙钛矿/体异质结集成太阳电池。

钙钛矿太阳电池和有机太阳电池有着低温溶液制备、原料丰富、质轻、柔性等优点，有望用于光伏建筑、可穿戴器件等方面。经过多年的快速发展，单结钙钛矿太阳电池和单结有机太阳电池效率已经逐渐接近理论极限，电池效率越来越难以提高，将钙钛矿材料与有机材料结合，可以使两者优势互补，进一步提高电池效率。鉴于此，本项目提出制备钙钛矿/有机集成电池，从5个方面开展研究：1. 单结钙钛矿太阳电池；2. 高效率单结有机太阳电池材料与器件；3. 钙钛矿/有机异质结太阳电池；4. 钙钛矿/有机集成光探测器；5. 钙钛矿/有机叠层太阳电池。通过以上研究，我们取得了一系列研究成果，我们合成了明星分子D18，使单结有机太阳电池效率首次超过18%。我们开发出一系列新型钙钛矿薄膜制备方法，得到了高性能的单结钙钛矿太阳电池。在单结电池基础上进行了钙钛矿/有机集成器件研究，首次报道无机钙钛矿/有机叠层电池，用D18分子将叠层电池效率提高到20%以上。另外用窄带隙分子COi8DFIC与宽带隙钙钛矿材料结合制备了光响应可调的钙钛矿/有机集成光探测器，可以通过外加电压调节探测器响应范围，实现单色/双色可调成像。与国际同行相比，我们合成的D18分子是目前最好的有机太阳电池给体材料之一，我们也是最早开展钙钛矿/有机集成器件研究的课题组，本项目为提高钙钛矿和有机太阳电池效率提供了新的方案，另外通过将钙钛矿与有机材料结合，实现了一些新的功能，促进了相关领域的科学发展。