全低温过程制备钙钛矿太阳能电池及器件光电性能研究

As a rapid developed all-solid photovoltaic device, perovskite solar cells (PSCs) have attracted extensive attention due to its simple procedure, low-cost, high energy conversion efficiency and excellent application prospect. Low temperature fabrication of PSCs is an important target for industrialization application. The related results will be contributed to flexible PSCs, which is the foundation of large-scale printing process. Meanwhile, it will also be beneficial for fabrication of multijunction PSCs and reduction of energy consumption. The key point of related investigation is the development of compact layer with high carrier mobility and high wettability by low temperature method. In this work, aiming at developing of full low temperature technology for fabrication of PSCs, the low temperature fabrication of inorganic nonmetallic materials with high carrier mobility and wettability will be explored as the key point. The crystallization properties of materials could be improved by modification of reaction conditions. The excellent wettability will be realized by surface treatment and interface modification. Moreover, it is necessary to match the energy levels between compact layer and perovskite layer for improving the photon utilization. Thus, the full low temperature fabrication of high efficient PSCs will be realized. Furthermore, the relationship between the properties of materials and the inner operating mechanism of PSCs will be revealed. This work should have some theoretical implications for improving the photovoltaic performance of low temperature-fabricated PSCs.

作为迅速发展的新一代全固态光电转换器件，钙钛矿太阳能电池具有制作简单、成本低廉、能量转换效率高等优点，从而获得国际广泛关注并展示出良好的应用前景。其中，低温高效钙钛矿太阳能电池研究是实现其产业化目标的一个重要方向。相关研究将有助于实现器件的柔性化，这也是实现大面积印刷生产的基础，同时有助于多结电池的制备以及降低生产能耗。研究的核心问题在于低温下兼具高载流子迁移率及浸润性的致密层开发。针对这一关键问题，本项目以开发全低温过程制备钙钛矿太阳能电池技术为目标，以低温制备电子传输性能优异、浸润性好的无机非金属材料为切入点，通过调控反应条件改善材料的结晶性，通过表面处理、界面修饰等手段提高材料的表面浸润性，匹配其与钙钛矿层间的能级，从而提高光子利用率，最终构建全低温过程的高效钙钛矿太阳能电池器件。同时揭示材料自身性质与器件内部运行机制间的关系，为低温钙钛矿太阳能电池的深入研究提供一定的理论指导。

钙钛矿太阳能电池（PSCs）是一类迅速发展的光电转换器件，由于其杰出的能量转换效率和光明的应用前景而得到人们的广泛关注。为了加速PSCs的产业化进程，通过简单的工艺过程实现高性能的PSCs器件便显得尤为重要。因此，本研究致力于在低温或简单的工艺条件下制备高质量的电子传输层（ETL）或钙钛矿吸光层材料，进而实现高性能的光伏器件。在研究过程中，我们获得如下的研究成果。.1.在70摄氏度低温条件下，通过TiF4水解在FTO导电衬底表面原位生长锐钛矿型的TiO2薄膜并将其直接作为ETL使用。相应PSCs器件的最高能量转换效率达到了10.33%。动力学研究显示，合适的ETL厚度及对FTO的完全覆盖、优异的钙钛矿结晶以及良好的电荷传输特性是获得高性能器件的主要原因。研究也显示该器件性能具有很好的重复性。.2.通过温和的制备工艺得到氧化铟锌（IZO）薄膜，将其首次做为ETL应用到PSCs中。研究显示，相较于TiO2而言，IZO具有更合适的能级结构、更好的光学特性以及更快的电荷传输特性。这使得相应器件的能量转换效率达到了16.25%，比同等条件的TiO2器件（13.83%）性能提高了2.42%。并且也获得了无滞后现象，效率在15.8%的稳定输出。.3.我们提出了一种在自然条件获得无孔、均一及高度结晶的钙钛矿薄膜的简单方法。研究显示，通过该方法的得到的钙钛矿薄膜具有高的光吸收系数及长的载流子寿命。对使用该方法前后所制备的器件性能进行了对比，器件的能量转换效率得到了1倍的提升，从6.54%提高到了13.07%。.这些研究结果将为进一步提高低温钙钛矿太阳能电池性能，发展柔性器件及拓展其应用起到积极推动作用。