反式钙钛矿电池中非晶电子传输层的性能调控研究

Perovskite solar cells have enormous application prospects while the properties of electron transport layers (ETLs) have significant influences on the photovoltaic performance and stability of inverted perovskite solar cells (IPSCs). Inorganic amorphous materials possess the advantages of low cost, low preparation temperature and devoid of grain boundaries, which can be unitized as ETLs in IPSCs to reduce the energy payback time and improve stability. In this proposal, we put forward a solution route to prepare amorphous WOx ETLs for efficient IPSCs. We will study the effective preparation approach to amorphous materials and clarify the reactive kinetics processes, then develop the chemical modification strategy and reveal its regulatory mechanism. We will analyze the chemical compositions, microstructures and thermodynamic properties of amorphous materials. Meanwhile, we will focus on the semiconductoring properties of amorphous materials such as the electronic states. Furthermore, we will study the influencing rules and mechanism of the chemical modification toward the photovoltaic properties, hysteresis and electron transport kinetics of IPSCs. Organic functional polymers will be combined with ETLs to restrain the related degradation process in IPSCs. The manufacturing method of efficient and stable IPSCs will be established through rational design and optimization. This proposal will provide a theoretical and technical support for expanding the application field of amorphous materials and the study of high-efficiency and stable IPSCs.

高效钙钛矿电池具有良好应用前景，电子传输层（ETL）的理化性质对其光电性能和稳定性具有重要影响。无机非晶材料具备成本低廉，低温易制备，无晶界等优势，将其作为ETL用于反式钙钛矿电池（IPSC）可以减少器件能量偿还时间并提高稳定性。本项目提出采用溶液法制备非晶WOx薄膜并将其作为ETL构筑高效IPSC。我们将系统研究非晶材料的有效制备方法并阐明其反应动力学过程，发展化学修饰的性能调控方法并阐明其调控机制；揭示非晶材料化学组成、微观结构及热力学性质，重点阐明非晶材料的电子态等半导体物理性质；在此基础上研究化学修饰对IPSC光电性能，回滞效应及电子传输动力学的影响规律和机制，采用功能材料复合的方法调控ETL以抑制相关退化过程，通过合理设计与调控ETL建立制备高效稳定IPSC的方法。本项目将为拓展非晶材料应用领域和研究高效稳定IPSC提供实验依据和理论支持。

钙钛矿太阳能电池凭借其成本低、效率高和可柔性制备等优势受到广泛关注。本课题通过制备高效电荷传输材料并优化其性质开展了反式结构钙钛矿电池的高效化和稳定化研究。本课题在低温下制备了不同种类、不同结构的电荷传输层并将其应用到反式结构钙钛矿电池中，通过进一步优化钙钛矿薄膜质量和界面，构建了高效稳定的刚性/柔性反式结构钙钛矿电池，同时结合狭缝涂布技术制备了大面积钙钛矿电池模组。在项目执行过程中，我们研究了空穴传输层氧化镍的干法制备技术，重点研究了其制备条件和表面处理策略以及相关作用机制，从而显著提升其光电性质和界面稳定性。针对电子传输层，我们在湿法制备路线中进一步发展了杂原子修饰策略，设计具备能级梯度的有机/无机复合结构和无机/无机复合结构电子传输层，重点开展超薄非晶电子传输层制备以提升器件稳定性研究。在实验中，我们揭示电荷传输层化学组成和微观结构，重点阐明电荷传输材料的半导体物理性质；在此基础上研究不同材料和不同结构对反式钙钛矿电池光电性能、电荷传输动力学和长期稳定性的影响规律和机制。最终本项目制备的刚性和柔性小面积0.09 cm2反式结构钙钛矿电池效率分别达到23.4%和21.3%。该结构在氧化镍基钙钛矿电池中处于领先水平。同时，封装器件在室外光照下连续老化1000小时后，性能衰减少于20%。未封装器件在手套箱内光照1000小时后性能衰减少于10%。此外，项目组制备的15×15 cm2大面积反式结构钙钛矿电池模组效率达到15.5%。研究结果为电荷传输材料制备和研究高效稳定反式钙钛矿电池提供实验依据和理论支持。.同时还进行了拓展研究，开发了CsPbIBr2无机宽带隙钙钛矿电池和进行大面积钙钛矿薄膜制备研究，系统研究了界面修饰和添加剂对钙钛矿晶体质量、相关界面和器件光电性能的影响，研究成果对无机钙钛矿电池和大面积模组的发展提供了一定的数据支持。.基于以上成果发表了论文13篇，申请专利4项，培养硕士研究生5名，博士研究生1名。