面向钙钛矿太阳能电池的Cu基无机空穴传输材料制备及载流子传输机制研究

Perovskite solar cell is a new solar cell. The instability of the current used organic hole transport materials such as spiro-OMeTAD is a key factor influencing the cycle life of perovskite solar cell. In the present project, the Cu-based inorganic hole transport materials (CuI or CuSCN) will be prepared by various physical and chemical processing methods. XRD,TEM,XPS,AFM,AES,、UV-vis, in situ photo I/V as well as IS measurement will be employed to characterize the as-prepared Cu-based inorganic hole transport materials. Based on the deep analysis of the experimental results, the relationship between crystal defects and electronic band structure of the Cu-based inorganic hole transport materials will be revealed and the mechanism of mobility and recombination of the photo-induced electron/hole pairs will be discussed. The effect of boundary structure of Cu-based inorganic hole transport materials on the solar cell photo/electronic performance will be investigated through optimizing and turning the boundary structure. By using Cu-based inorganic hole transport materials as the hole transport layer in perovskite solar cell , it is anticipated that through this study it could provide some theoretical support in future design of high efficiency perovskite solar cell.

钙钛矿太阳能电池是一种新型太阳能电池，目前常用的有机空穴传输材料的不稳定性是影响电池寿命的一项关键因素。本项目拟以Cu基无机空穴传输材料（CuI或CuSCN）为研究对象，采用多种物理和化学的合成工艺来制备Cu基无机空穴传输材料，结合多种表征手段如XRD、TEM、XPS、AFM，AES、UV-vis、光谱分析、瞬态光电流/光电压谱、电化学阻抗谱等，探讨Cu基无机空穴传输材料的晶体结构缺陷与电子性质、能带结构之间的内在关系，尝试揭示Cu基无机空穴传输材料的载流子迁移/复合机理；通过对Cu基无机空穴传输材料薄膜的界面结构进行合理设计与调控，探讨薄膜界面结构对电池光电特性的影响；在此基础上，尝试通过采用Cu基无机空穴传输材料作为钙钛矿太阳能电池的空穴传输层来提高电池的稳定性，以期对将来开发实用化的钙钛矿型太阳能电池提供理论支撑和设计依据。

近年来，Cu基无机p型半导体作为无机空穴传输层材料在新型钙钛矿太阳能电池领域的应用研究日益受到关注。但是，Cu基无机空穴传输材料仍然存在许多基础认知上的不足，比如：界面结构缺陷态的设计调控、载流子的动力学行为等，在较大程度上限制了无机空穴传输层钙钛矿太阳能电池的发展。针对这些不足，本项目开展了一系列研究工作，主要涉及：（1）p型CuSCN纳米棒的结构设计、改性及其光电特性研究；（2）p型NiO无机空穴传输层薄膜的设计合成、改性及其光电特性研究；（3）p型CuGaO2半导体材料的结构设计及其光电化学性能研究。研究发现，采用电化学沉积法能够成功制备获得CuSCN纳米棒薄膜，探究了不同电化学沉积条件（比如：电化学沉积电压、沉积电荷量等）对CuSCN薄膜形貌结构和光电化学性能的影响，进一步采用多种改性手段（比如：碳量子点负载、KSCN预处理、构建Cu2O/CuSCN异质结、负载CuS量子点等）对CuSCN纳米棒薄膜进行改性，这些改性手段能够分别有效地促进了CuSCN纳米棒薄膜的光生载流子分离/迁移效率，在较大程度上改善了CuSCN薄膜的光电化学性能，并探究了相应的光电化学反应机理；分别采用磁控溅射法和溶胶-凝胶法制备获得了NiO无机p型半导体薄膜，探究了不同制备工艺对NiO薄膜结构形貌、光电特性的影响，在此基础上，进一步通过钇掺杂对NiO薄膜进行改性，钇元素的掺杂大大提高了NiO薄膜的光生载流子迁移速率，在很大程度上提高了NiO基无机空穴传输层钙钛矿太阳能电池的光电转化效率；采用水热法成功制备获得了CuGaO2，通过高温高压氢化处理后获得具有表面氧空位缺陷态结构的氢化CuGaO2，有效地促进了CuGaO2光生载流子的分离/迁移过程，大大改善了CuGaO2的光电化学性能。本项目深入系统地研究了CuSCN、NiO和CuGaO2等无机空穴传输材料的制备、改性和光电化学性能及其反应机理，为设计开发新型无机空穴传输层材料及其钙钛矿太阳能电池的应用提供了重要的科学依据和理论支撑。