利用纳米结构衬底提高柔性薄膜钙钛矿太阳能电池性能的研究

Metal halide perovskite materials possess superior optical and electrical properties thus they have been utilized for high performance optoelectronic devices. These materials are particularly suitable for high performance and flexible thin film solar cells. In this proposed project, we aim to design a systematic strategy to explore performance enhancement of perovskite material based solar cells by using flexible, transparent plastic substrates with three-dimensional nanostructured surface. Particularly, we will investigate mechanism of light trapping in nanostructured perovskite thin film in order to obtain a rational nanostructure design. Meanwhile, we will also study the distribution of stress and strain in the thin films and devices mechanical failure mechanism when they are undergoing bending tests. A good understanding on this will facilitate a suitable design of nanostructure substrates which can significantly improve device mechanical robustness. Overall the proposed research involves the interconnected tasks of material preparation, optical and electrical characterization, device structural design and fabrication, as well as device modeling. Successful implementation of this proposed research will lead to a better understanding of perovskite solar cell device physics and design guidelines, eventually improve the practicality of the perovskite materials. And these studies will also inspire novel design of other types of thin film solar cells.

金属卤化物钙钛矿材料有优异的光电特性因此已被用于高效的光电器件。这类材料尤其适合制造高效柔性薄膜太阳能电池器件。本课题旨在研究如何利用具有三维纳米结构的柔性透明塑料衬底来提高钙钛矿太阳能电池的转换效率以及器件的弯折柔韧性。我们将设计多种形状的纳米结构，通过实验和模拟结合的方法理解和优化纳米结构钙钛矿薄膜的陷光效应。同时也通过理论模拟和测量了解柔性器件在弯折过程中材料内部的应力分布，和器件失效机理。从而合理地设计和制造纳米结构的塑料衬底来降低材料内部的应力。总体上，这个研究项目涉及材料制备，器件结构设计和制造，器件建模，光学和电学特性测量以及综合评估这些相互关联的任务。成功实施这一课题将有助于更好地理解钙钛矿太阳能电池器件的物理特性和设计要求，推动这种材料走向实际应用，也有望为其他薄膜光伏器件的研发提供新的思路。

金属卤化物钙钛矿材料有优异的光电特性因此已被用于高效的光电器件。这类材料尤其适合制造高效柔性薄膜太阳能电池器件。本课题旨在研究利用纳米结构，来提高柔性钙钛矿太阳能电池（PSCs）的能量转换效率（PCE）。同时，研究了低铅毒性、且稳定的PSCs技术方案。.我们提出了一种低铅毒性钙钛矿电池的技术方案，并且制造了单晶、高密度且有序的钙钛矿纳米线阵列。这种纳米阵列是由甲基碘化铵（MAI）与氧化铝纳米孔中的铅(Pb)/锡(Sn)反应生成。所制备的钙钛矿纳米阵列具有出色的光陷效应和稳定性；且作为柔性电池，与薄膜钙钛矿相比，纳米线阵列能有效避免反复弯曲过程中的裂纹，是柔性光电器件的理想候选者。.此外，本项目由Pb/ Sn液态合金与MAI制备了结晶度的钙钛矿薄膜。通过合理地选择金属前驱体和合金化技术，已经实现了对钙钛矿薄膜的组成，形态和结晶度的良好控制。且实现了PCE达14.04％的高锡钙钛矿太阳能电池，这是迄今为止高锡的MAPbxSn1-xI3的最高效率。这种合金化技术为进一步探索低熔点的合金体系制备钙钛矿技术开辟了新方向。.稳定性是PSCs成为工业现实的关键挑战之一。本项目采用了CdSe/CdS纳米点，将进入PSCs紫外光转换为可见光，有效地改善了电池的紫外稳定性。纳米点改造后，在连续光照在300 h后，PSCs的PCE仍在其初始值得85％以上。另外，通过混阳离子、混卤化物的方法，可调解钙钛矿的带隙和相稳定性。此项目提出了一种新气相沉积方法，制造了高结晶质量且稳定的MAyFA1-y PbIxBr3-x。此外，研究了真空沉积PSCs的电子传输层氧化锡SnO2和空穴传输层酞菁铜。钙钛矿的全真空低温制备工艺，提供了低成本、大规模生产低能量偿还时间，且柔性的太阳能电池的可能。由此，全真空技术制备的柔性钙钛矿电池表现出优异的性能PCE=15.14％。.由于城市建筑的能耗巨大，且在配电的过程中存在大量的电力损失；此项目利用纳米技术，制备了用光伏建筑一体化的半透明钙钛矿太阳能电池(ST-PSCs)。特殊的纳米结构同时改善ST-PSC的性能和视觉外观，在保证高平均可见光透过率（AVT）的前提下，大幅提高了ST-PSCs的效率。