钙钛矿电池全无机金属氧化物界面层的能带调节及电输运特性

For high efficiency perovskite solar cells, it is very important to enhance interlayer properties and achieve good energy level alignment of the device. In this proposal, we propose a low-temperature mixed-solvent combustion assisted sol-gel derived SnO2 and an electron beam vaporated NiO/MoO3 bilayer, which served as efficient electron transport layer (ETL) and hole transport layer (HTL) in perovskite solar cells, respectively. We aim at fabricating perovskite solar cell based on inorganic all-metal-oxide charge transport layers, that is, FTO/doped SnO2/perovskite/NiO/MoO3/Ag. We can synergistically modulate the band-energy alignment, electrical, optical and interface properties of SnO2 layer through Mg-Nb or Mg-F co-doping and interface treatment. As a result, we can upshift the Fermi-level and its conduction band minimum of SnO2 layer, and thus increase the open circuit voltage and short current density corporately. Meanwhile, we can downshift the vanlance band maximum and appropriately enhance the charge carrier concentration and suppress the interface charge recombination. Hence, a well-matched band energy level and improved contact properties between ETL and perovskite layer will be realized. Ultimately, we plan to achieve a stable planar perovskite solar cell with a power conversion efficiency over 20%. To gain deep insight into the mechansim of interface engineering on transportation properties and photovoltaic performance of device, we systematicly study the structure and morphology, electrical and optical properties of each functional layer and charge transportation properties of the related interfaces (e.g., by using transient process analysis). Thus, proposal to further improve the quality of the materials and enhance the performance of the devices will be given.

提高钙钛矿光伏电池中界面层的质量并实现良好的能带匹配非常重要。本申请提出采用混合溶剂燃烧辅助的低温(120℃)溶胶-凝胶和电子束蒸发工艺分别制备高质量的掺杂SnO2电子传输层(ETL)和NiO/MoO3复合空穴传输层(HTL)；构筑全无机界面层的高效钙钛矿光伏电池(FTO/ETL/钙钛矿/HTL/Ag)。通过Mg与Nb(或F)共掺杂和后处理工艺协同调控SnO2层的能带结构、电学、光学和界面特性；从而降低其功函数-抬高导带（增加开路电压），增大带隙宽度(增加光电流), 适当提高电子浓度、减小界面复合、从而改善电子传输层和钙钛矿吸光层之间的能级匹配和界面接触特性(提高填充因子), 实现转换效率达20%性能稳定的平面钙钛矿电池。通过结构形貌、光电性能及输运特性(如暂态过程)的研究，揭示界面能带调节对界面输运特性及器件电输运特性和光伏性能的影响机制；提出进一步改善器件性能的措施。

二氧化锡是一种性能优异的传输电子的无机半导体材料，具有与钙钛矿吸收体相匹配的能带结构，且其能带可以通过引入外来组分进行调控，在钙钛矿太阳能电池中具有较大的应用前景。本课题组采用各种工艺制备了高质量的SnO2电子传输层和NiO等空穴传输层。通过应用宽带隙的MgO纳米层，修饰钙钛矿太阳能电池的二氧化锡电子传输层和阳极之间的界面，形成二氧化锡/氧化镁双薄层结构，实现了有效的电荷输运和空穴阻挡特性，使器件性能得到显著提高；同时，针对钙钛矿太阳能电池中经常出现的J-V曲线回滞问题，我们通过在低温水热生长的纳米多级结构二氧化锡电子选择层中进行了适量钇的掺杂，从而改善了界面载流子的传输、减小界面载流子的堆积和存储，显著地提高了器件的性能并减小了回滞效应；由于常温沉积的PbS呈现（200）方向的择优取向，具有高空穴迁移率，所以我们将其与Spiro层复合，提升了器件的空穴抽取效率。同时课题组采用原位生长的Cu2O纳米晶体作为空穴传输层来制备聚合物太阳能电池和钙钛矿电池也获得了较好的效果。在钙钛矿全无机金属氧化物界面层的研究以及相应器件制备上，我们进一步优化了低温和高温制备SnO2的条件，提升了器件的效率。 钙钛矿太阳能电池目前急需解决稳定性问题，我们在倒置电池中引入Ga2O3界面层，实现了良好的器件稳定性。此外，也尝试了对钙钛矿材料低维化，研究新的有机无机复合空穴传输材料，以实现更好的器件性能和稳定性；我们在薄膜中引入稳定剂或无机阳离子（Rb+、K+、Cs+），也实现了良好的相稳定性和热稳定性。 通过协同地组合三种表面处理方法，很好地调控了溅射法制备NiOx薄膜的光电特性。研究了NiOx以及SnO2在倒置结构电池中作为空穴和电子传输层的应用。此外，我们巧妙地将氯结合在二氧化锡量子点表面，并在带隙宽度为1.58 eV的钙钛矿材料中，制备了开路电压高达1.195V的太阳能电池。在平面钙钛矿太阳能电池中利用过氧化氢作为钝化剂引入二氧化锡前驱体溶液中来改善电子传输层的质量，提高了器件的重复性。在两步沉积法中仅引入MACl作为稳定剂来制备无溴FA基钙钛矿，减小了稳定FAPbI3时伴随的带隙损失。