高湿环境下有机-无机杂化钙钛矿电池制备原理及光照稳定性研究

Because of its rapid ascension on the photoelectric conversion efficiency, organic/inorganic hybrid perovskite solar cells have caused extensive concern of academia and industry. But whether perovskite solar cells can benefit society, the solar cell life and manufacturing cost play a key role. At present, not only the humidity and light stability of solar cells have to be solved, but also the humidity requirement to fabricate efficient perovskite solar cells is harsh. Moreover, hole-transporting materials are expensive. In this project, combined with experimental study, first principles and molecular dynamics theory are used to investigate light effect on the structure of the perovskite materials under certain humidity and the mechanism of interface modification on the improvement of the battery light stability, and to reveal nucleation and growth of organic/inorganic hybrid perovskite materials induced by synergy of solvent and humidity under high humidity environment. Broad process conditions to fabricate organic-inorganic hybrid perovskite materials will be explored. Elastic membrane with large deformation will be used as substrate to fabricate the fold structure of the battery, using carbon nanotube film as electrode materials. This solar cell structure will save the expensive hole transport layers to reduce the cost. At the same time the stability can be improved and flexible battery manufacturing can be realized. The project research has an important theoretical guidance significance and application value on the development organic-inorganic hybrid perovskite cells, which will lay a foundation for industrialization.

有机-无机杂化钙钛矿电池光电转换效率的快速提升，引起学术界和产业界的广泛关注，但最终其能否实现产业化、造福社会，电池稳定性和制造成本是关键。目前，高效钙钛矿电池制造环境湿度要求苛刻，电池湿度和光照稳定性尚未解决，空穴传输材料价格昂贵。本课题针对该问题，采用第一性原理和分子动力学理论，结合实验研究，探究有机-无机杂化钙钛矿材料光照分解机理，及有机小分子界面修饰提高电池稳定性的作用机制；揭示高湿环境下，溶剂与湿度协同作用诱导有机-无机杂化钙钛矿材料成核生长的规律及其机制；探索结晶性致密性好的有机-无机杂化钙钛矿膜宽泛的工艺条件；以大形变弹性薄膜为基底，在弹性薄膜上利用碳纳米管薄膜，制备可折叠的褶皱结构有机-无机杂化钙钛矿电池。该电池省去了昂贵的空穴传输层，可降低成本、提高电池稳定性，实现柔性电池制造。本研究对有机-无机杂化钙钛矿电池的发展有着重要的理论指导意义和应用价值，为产业化应用奠定基础。

钙钛矿电池效率的飞速提升引起学术界和产业界的广泛关注，但是电池寿命和制造成本是决定其最终是否具有实用价值的关键。目前，钙钛矿电池的最高效率已经超过25%，但电池制造环境湿度要求苛刻，湿度和光照稳定性尚未解决。而且电池中所采用的空穴传输层材料价格昂贵。针对上述问题，本项目探究了有机-无机杂化钙钛矿材料湿度和光照分解机理，利用界面修饰等提高钙钛矿电池稳定性，分析作用机制。同时在大气中、湿度条件下制备钙钛矿电池。本项目还设计合成新型、无掺杂的小分子空穴传输材料，降低成本的同时避免掺杂引起的钙钛矿分解，并在柔性基底上制备了高效稳定的柔性钙钛矿电池。.研究发现，水的强极性导致有机-无机钙钛矿结构在潮湿环境下不可避免地发生分解。在HTM层上沉积超薄Al2O3可以有效阻止H2O的渗透，使电池在空气中放置24天后仍保持初始效率的90%左右。此外，PVA对钙钛矿层进行修饰，由于PVA具有比CH3NH3PbI3材料更强的吸水能力，大部分的水分子都被PVA吸附，从而达到提升钙钛矿电池湿度稳定性的目的。钙钛矿电池的光照不稳定性主要源于TiO2在紫外光下的光催化活性。在TiO2致密层和钙钛矿层之间引入一层小分子材料，可以有效阻挡TiO2对钙钛矿层的破坏，结合紫外光吸收剂UV234的屏蔽作用，制备的电池在未封装、室温和60%RH湿度条件下，紫外光照射24h后，效率仍能保持初始效率的85%以上。系统研究了钙钛矿薄膜制备过程中相对湿度对钙钛矿分子结构和结晶的影响，发现特定湿度对CH3NH3PbI3薄膜的制备产生积极影响，大约28%的湿度能够改善CH3NH3PbI3薄膜的形貌，进而提高光伏性能。此外，设计开发了几种线性结构的新型高效、无掺杂的空穴传输层材料，其中以9,9-二己基-9H-芴为中心、N,N-双甲基硫代苯胺为末端的新型空穴材料FMT性能最佳，具有与CH3NH3PbI3匹配的能带结构，且制备成本远低于spiro-OMeTAD和PTAA，基于FMT的钙钛矿电池效率达19.06%，表现出良好的稳定性。同时通过开发低温制备电子传输层的方法，实现了高效率（17.69%）柔性钙钛矿电池的制备，该电池在50%RH湿度条件下放置一周后，仍保持初始效率值的96%以上。本项目研究成果对有机-无机杂化钙钛矿电池的发展有着重要的理论指导意义和应用价值。