柔性锡基钙钛矿太阳能电池的原位构建及其光电性能研究

The flexible perovskite solar cell (F-PSC) has attracted wide researches due to its light weight, impact-proof, good flexibility and various shapes design of the advantages, which has broad application market and development prospects. The key factors of restricting the photoelectric property of the F-PSC are the generation, separation and transmission of the charge carrier. This project proposes a new method (in situ method) to prepare tin-based perovskites in the titanium dioxide (TiO2) nanotube or nanowire arrays with good contacts and well-filled structures, in which the arrays prepared on the flexible titanium foils have low resistance, high specific surface area, and characteristic of directional transmission electron. And finally assembling the F-PSC. The main contents of this project include: investigating the effect of the in situ preparation conditions on the interface contact between the tin-based perovskites and TiO2 semiconductors; studying the matching relation between the thickness of the TiO2 nanotube/wire arrays and the electron diffusion length of the tin-based perovskites; enhancing the performance of the tin-based perovsite material by changing its composition and structure to increase the rate of electron-hole separation and transmission, and to enhance the light utilization; studying the principle mechanism of the photon capture, charge carrier separation and transmission in the F-PSC. The theoretical research of the F-PSC together with the device preparation to provide abundant fundamental theories and strong technical foundation for the research and application of the large-area F-PSC and the photovoltaic integrated with energy storage device.

具有质量轻、抗冲击、可卷曲、可进行各种形状或表面设计等优点的柔性钙钛矿太阳能电池（简称F-PSC），具有广阔的应用市场和发展前景。F-PSC中光生载流子的产生、分离和传输，是制约其光电性能的关键。本项目拟在柔性钛箔上，制备具有定向传输电子、电阻低和比表面积高等优点的TiO2纳米管或纳米线阵列，采用原位法构建与TiO2具有良好界面接触的锡基钙钛矿材料，并组装成F-PSC。研究原位法制备条件对锡基钙钛矿材料与TiO2界面接触的影响；研究TiO2纳米管/线阵列厚度与锡基钙钛矿材料电子扩散长度的匹配关系；通过改变锡基钙钛矿材料的组成与结构，提高锡基钙钛矿材料电子空穴的分离与传输速率，增强太阳光的利用率；研究光照下F-PSC中光子俘获、电子和空穴的分离与传输等的微观机制。F-PSC器件制备与理论研究相结合，为大面积F-PSC、光电转换与储能集成器件等研究与应用提供扎实的技术基础和充分的理论依据。

柔性钙钛矿太阳能电池（PSC）具有质量轻、抗冲击、可卷曲、可进行各种形状或表面设计等优点的，具有广阔的应用市场和发展前景。本项目采用强碱水热法在柔性钛箔上制备了具有定向传输电子、电阻低和比表面积高等优点的TiO2纳米线阵列，采用原位法构建与TiO2具有良好界面接触的钙钛矿材料，采用电化学沉积法制备了低成本的透明聚3,4乙二撑噻吩（PEDOT）当作空穴传输材料；250nm厚的PEDOT具有较高的透光性、禁带宽度为2.19eV、HOMO能级为-5.11eV、LUMO能级为-2.92eV，与钙钛矿材料的电子能级非常匹配；当TiO2纳米线阵列厚度为1000nm、钙钛矿填充层厚度为450nm时，获得了面积为1.0 cm2和光电转换效率为13.07%的大面积柔性PSC。研究了醋酸甲胺、醋酸镁、硫氰酸胍等添加剂在两步溶液法中对钙钛矿薄膜的形成以及光电性能的影响；在PbI2旋涂液中添加适量的上述添加剂，能生成含混合钙钛矿（MAPbI3-x(Ac(or SCN))x）的PbI2薄膜；混合钙钛矿在后续碘甲胺处理过程中，能当作晶种，促进钙钛矿薄膜的生长，获得足够厚度、更大晶体尺寸和更合适的带隙宽度的均匀钙钛矿薄膜，最终获得17.07%的光电转换效率。将体积分数为0.20%的二甲亚砜和6mg/mL的溴甲胺添加在异丙醇中，对制备的钙钛矿薄膜进行后处理；少量的二甲亚砜能够溶解钙钛矿晶界并延迟晶界的再生速率，溴甲胺能够扩大钙钛矿的带隙宽度并形成稳定的立方相的钙钛矿（CH3NH3Pb(I0.80Br0.20)3），获得致密和高覆盖度的钙钛矿薄膜，最后获得18.00%的光电转换效率。此外，还制备并研究了多功能的稀土掺杂SnO2致密层、多孔TiO2光阳极、TiO2/ZnIn2S4异质结光阳极、Ag掺杂TiO2光阳极、三元硫化物、蜂窝状透明导电聚合物等电极材料；还合作研究了TiO2光阳极的电化学制备和柔性超级电容器等。柔性PSC器件制备与理论研究相结合，为大面积柔性PSC、光电转换与储能集成器件等研究与应用提供扎实的技术基础和充分的理论依据。研究结果已发表基金第一标注SCI论文24篇，SCI引用282次，申请国家发明专利2项，授权国家发明专利1项，培养博士和硕士研究生各1名、2名硕士研究生转为硕博连读，1名硕士研究生在读，参加国内学术会议10人次。