金属氧化物薄膜的常温溶液法制备在钙钛矿太阳能电池电子传输层中的应用及其光氧化处理与掺杂改性

Full-printing and flexibilization are the development trend of its future commercialization of perovskite solar cell. To meet the application demand of plastic flexible substrate, low processing temperature is required. In this proposal, a technique for the fabrication of the solid films by solution-processing at room temperature is investigated based on TiO2, ZnO and SnO, etc. Solution formulation will be designed to establish the longitudinal-gradient distribution of film density and construct the porous surface of the metal-oxide film. The effect of solution parameters will be studied to understand the mechanism of crystalline formation. Photo oxidation by UV and plasma will be carried out to align the surfacial energy level of the metal-oxide film with that of perovskite light-absorption layer. Doping of metal ions will be further undertaken to improve the conductivity of the film without sacrificing the transmittancy. Such metal-oxide film will be further applied as the electron-transporting medium (ETM) for the fabrication of perovskite solar cells. Parameters of devices based on such ETM will be optimized to fulfill the preparation of high-efficiency perovskite solar cells.

全印刷柔性化是钙钛矿太阳能电池的发展趋势。基于柔性衬底对加工温度的要求，本项目拟研究TiO2、ZnO和SnO等金属氧化物固体薄膜的常温溶液法制备，及其在钙钛矿太阳能电池电子传输层中的运用。通过设计溶液配方，实现膜层密度纵向梯度化分布及构建分散性多孔化表面，从而分析溶剂参数对固体薄膜成膜机制的影响。利用紫外、等离子体等的光氧化改性，实现TiO2、ZnO和SnO等金属氧化物薄膜的表面能级态的有效调控，达到电子传输层和钙钛矿光吸收层能级的匹配，总结薄膜能级态在光氧化改性过程中随时间的变化规律。同时，利用过渡金属特殊的电子亚层结构和铁磁效应进行离子掺杂，保证固体薄膜兼备高透光度和高导电率的性能，总结掺杂型金属氧化物溶液成膜过程中的晶型形成机制和规律，并将此类金属氧化物薄膜作为钙钛矿电池的电子传输层，优化器件工艺参数，找出器件性能优化的关键条件和显著因素，实现高效率钙钛矿太阳能电池的制备。

近年来，钙钛矿太阳能电池取得了突飞猛进的发展。其中，钙钛矿太阳能电池的电子传输层，直接决定着电池中光生载流子的产生数量和传输速率，成膜质量的优劣是器件性能高低的关键决定因素，因此一直是钙钛矿太阳能电池器件优化的研究重点。本研究围绕高性能金属氧化物薄膜而展开，面向柔性大面积印刷的器件制备趋势，探讨了基于二氧化钛薄膜的低温溶液成膜机制，并将其运用于钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备。报告通过分析多元混合溶剂参数对固体薄膜成膜的影响机制，比较不同溶液配方的设计，成功制备出适用于钙钛矿太阳能电池的优质多孔二氧化钛薄膜。本研究发现水蒸气法制备二氧化钛薄膜可以显著降低成膜温度，钛离子作为过渡金属具有特殊的电子亚层结构，水蒸气浴中产生大量活性羟基，能够诱导二氧化钛薄膜在水蒸气成膜中表面能级态发生了显著的变化，进而影响到电池器件层间势垒的大小和隧穿阈值，实现对太阳能电池关键器件参数的有效调控，主要体现在开路电压的提升和短路电流的增加。基于此，本研究利用反溶剂作为活性层前驱体溶液添加剂，采用乙醚掺杂，改善钙钛矿活性层的晶体结构，显著改善活性层薄膜的吸收性能和光敏响应。研究中发现，钙钛矿前驱体溶液中添加少量乙醚，可以改善薄膜晶体结晶形貌，晶粒尺寸更加均一，薄膜的疏水性能也同时得到了有效提升，使得器件稳定性进一步提高，该结果从循环伏安测试得到了很好的印证。