基于有机/无机复合电子传输层的高效平面钙钛矿太阳能电池的研究

Organic-inorganic hybrid perovskite solar cells (PSCs) have attracted tremendous attention owing to the outstanding optical and electronic properties of organic amine lead halide perovskite materials. In the past few years, the power conversion efficiency (PCE) of perovskite solar cells has already increased from 3% to 22.1% in 2016.This project focuses on the application of organic/inorganic composite electron transport layer in the perovskite solar cell to further improve the efficiency of the device. We will carry out the design and optimization of the perovskite material to realize the high quality optical absorption material system for the high efficiency perovskite solar cell. Based on the design and application of the organic/inorganic composite electron transport layer, the microstructure of organic/inorganic composite electron transport layer and the contact between electron transport layer and perovskite crystal is improved through high temperature induced spin-coating and solvent thermal annealing. The energy level and band gap of organic/inorganic composite electron transport layers can be tuned and the charge transfer process of the transport layer can be optimized to improve the PCE of the PSCs. This project is also to study the mechanism and interface dynamics of perovskite solar cells to find out the physical process of high conversion efficiency of solar cells.

近年来，得益于钙钛矿材料优异的光学和电学特性，作为一种新兴的太阳能电池，钙钛矿电池的效率不断取得突破。其光电转换效率从2009 年的3.8%快速增加到2016 年的22.1%。本项目围绕有机/无机电子传输层在钙钛矿电池中的应用，进一步提高器件效率这一中心问题，进行太阳电池新材料、新结构和电池性能研究。拟开展钙钛矿光吸收材料的设计与优化，实现高效钙钛矿电池用优质光吸收材料体系。对有机/无机电子传输层的进行设计和应用，通过高温诱导旋涂和溶剂热退火，对有机电子传输层的微观结构进行调控，改善改善电子传输层与钙钛矿晶体接触。通过对有机/无机复合的电子传输层进行分子设计能级调控，优化传输层的电荷传输过程，提高电池转换效率。研究钙钛矿太阳能电池机理和界面动力学，探明太阳能电池产生高转换效率的动力学物理过程。

钙钛矿太阳电池（PSC）具有生产成本低、制备工艺简单、光电转换效率高等优点，获得了极大的关注。在过去10年时间，其功率转换效率（PCE）从3.8％快速提升至目前的25.7％，可媲美商用晶体硅太阳能电池。在PSC中，电子传输层（ETL）起着不可或缺的作用，其作用是传输电子，并对空穴进行阻挡。在n-i-p平面结构的PSC中，ETL作为钙钛矿薄膜的生长基底，对其形貌和结晶度起着至关重要的影响。通过对ETL进行修饰，可以改善钙钛矿薄膜的形貌，进而提高PSC的性能。本项目发展了后处理钙钛矿活性层的方法，电池的效率稳定性都有所提高。采用体钝化和表面钝化钙钛矿活性层方法，获得高效和稳定的PSC。本项目发展了多种高效稳定的有机/无机复合电子传输材料在钙钛矿太阳能电池中的应用的研究。我们选择合适的有机分子，在SnO2表面上自组装一层有机单分子层膜，可以有效的降低回滞现象，提升太阳能电池效率。我们设计了一种由MgO/SnO2/EA组成的三明治结构ETL，为金属氧化物和有机化合物共修饰的高性能ETL制备提供了一条有效途径。我们提出了一种应用钙钛矿前驱体修饰ETL的方案，电子传输层前驱体工程在显着提高PSC性能方。将透明导电基底FTO中的F元素和ITO中的In元素相结合，使用InF3修饰SnO2 ETL，优化了能级排列，提高了PSC对光的吸收和利用，进而提升了器件的性能。本项目获得和实现回滞可忽略的基于有机/无机复合电子传输层钙钛矿太阳能电池制备方法，实现了实验室小面积器件转换效率超过23%。