基于界面调控和荧光上转换的新型钙钛矿太阳能电池

In recent years, perovskite solar cells (PSC) exhibits rapid development . However, there are still a lot of problems in the power conversion efficiency, long time stability and spectral response range, which seriously restrict perovskite solar cells for practical application. In this project, we try to reduce carrier recombination between CH3NH3PbX3 and electron transport layer by introducing pulse laser deposition method for preparing n-type doped inorganic semiconductor materials. Moreover, research content is proposed by introducing metal phthalocyanine (ZnPc, CuPc, NiPC, etc.) as efficient modified electrode layer to inhibit the corrosion of CH3NH3PbX3 by oxygen and water and to improve device long-term stability. Finally, we intend to broaden the spectra response of PSC in the 800-1700nm NIR range by introducing rare earth ions (Yb3+, Er3+, Tm3+, Nd3+, Ho3+ and Tm3+,etc.) co-doped LiYF4 luminescent up-converting crystals on the light incident surface of device. The final goal in this project is to achieve efficient and stable perovskite solar cells with power conversion efficiency reached to 18%, and the long-term stability maintained more than 90% of initial performance after 3000h, finally further improve the power conversion efficiency of 10-15% by up-conversion fluorescence.

近年来，钙钛矿太阳能电池(PSC)异军突起，发展迅猛；但其光谱响应范围还有待于拓展，光电转换效率与长时稳定性有待提高，以满足实际应用需要。本项目拟在不改变传统器件结构的基础上，通过电子传输材料的N型掺杂来降低电子传输层与钙钛矿材料界面的载流子复合；然后在钙钛矿层与空穴传输层Spiro-OMeTAD间，引入金属酞菁（ZnPc，CuPc，NiPc等）作为电极修饰层来隔绝水氧对CH3NH3PbX3的分解，同时促进空穴的传输，进而同时提高器件的效率与长时稳定性；在此基础上，通过三种及以上稀土离子（Yb3+，Er3+，Tm3+，Nd3+，Ho3+等）共掺杂获得宽谱带激发、高量子效率的LiYF4透明上转换单晶，并将其应用PSC, 拓宽近红外光伏响应，提高光电转换效率。目标是获得光电转换效率为18%以上，长时稳定性3000h以上的PSC器件，且利用上转换使其效率进一步提高10-15%。

钙钛矿太阳能电池（PSCs）被广泛认为是可以替代传统太阳能电池技术的可再生技术，以应对全球能源危机的挑战。但是稳定性差是导致PSCs商业化的主要障碍之一采用脉冲激光沉积的方法将SrAl2O4:Eu2+，Dy3+（SAED）薄膜引入到PSCs器件内部，用于提高器件的UV稳定性和连续光照稳定性，由于SAED的长余辉效应，使得PSCs在没有光照的情况下同样具有余辉电流，这是在PSCs中首次被发现（Adv. Energy Mater. 2017, 1700758.）。而后，我们将Bi添加到钙钛矿前驱体溶液中，用于提高钙钛矿薄膜的结晶度和结构稳定性。Bi改性后的PSCs性能从18.3%提高到19.4%。Bi3+修饰还能提高器件在80℃-180℃温度下的长期热稳定性和2500小时的长期稳定性（Adv. Energy Mater. 2018, 201703659.）。我们还探究了一种扩大PSCs在紫外和近红外光谱响应的新方法。在透明电极的基础上，在PSC器件的背面沉积了有效的等离子体增强NaYF4:Yb3+、Er3+/NaYF4:Yb3+、TM3+/Ag复合材料作为上转换层，使PSC的PCE提高到19.5%。在此之后，通过上转换层和DC层的外部封装，大大改善器件的湿度稳定性和光照稳定性（Nano Energy 2018, 50, 699.）。后来，我们利用利用旋涂法制备了具有共轭小分子DRCN5T和镧系元素掺杂的双界面修饰的柔性PSCs，优化后的PCE为19.6%,同时具有较少的滞后效应(Nano Energy 2018, 53, 849.)。 最近，我们通过引入IBr在钙钛矿薄膜中实现逆反应抑制化学分解策略，使PSCs具有非常低的迟滞效应、优异的稳定性以及22.16%的PCE。优化的PSCs在环境条件下储存5000小时后，其PCE可保持在82%左右，而在光照1000 h后，其初始效率可保持在90%左右，该成果对未来的PSCs稳定性研究具有促进意义（Nano Energy 2020, 68, 104315）。以上研究成果全部为项目申请人在项目执行期间的代表性成果，全部集中于界面调控和上转换来实现高效与高稳定PSCs的制备与探索应用。