高质量氧化钛及其复合传输层在有机-无机钙钛矿太阳能电池中的应用

Aiming at the problems of transport layer of organic-inorganic perovskite photovoltaic devices, this project intends to put the concept of semiconductor materials research, including the preparation of high quality single and construct heterojunction transport layer, into the perovskite solar cell transport layer. This project is proposed with low trap state density, band-gap control and matching of transport layer concept on the perovskite system, discussing materials preparation, characterization, design and assembly of perovskite solar cells. This project adopts pulsed laser deposition(PLD) technique, controllable preparation of single metal oxide and multilayer heterojunction thin film, building perovskite solar cell containing low trap density single layer for carrier transport and heterojunction transport layer for carrier separation.. To reveal the performance of different characteristic parameters of transport layer material on the hysteresis of photoelectric conversion performance and photoelectric testing, cell structure in photocarrier generation, diffusion and recombination mechanism; to realize the improvement and innovation of the existing perovskite solar cell structure, to improve the light to electricity conversion efficiency of solar cell. This project not only provides a new way for the preparation of transport layer material of organic-inorganic composite perovskite solar cell, but also plays an important role in promoting the development of new type solar cells.

针对有机-无极复合钙钛矿光电器件传输层中存在的问题，本项目拟把构筑高质量单层膜和异质结等概念引入钙钛矿电池传输层中，提出具有低缺陷态浓度和能带调控与匹配的复合传输层概念。系统地研究在传输层材料制备，表征以及钙钛矿电池设计与组装过程中的科学和技术问题。本项目拟采用脉冲激光沉积技术，可控制备高质量的单层金属氧化物及多层氧化物异质结薄膜；构筑含有利于载流子传输的低缺陷态的传输层和利于载流子分离的异质结传输层，并将之组装成钙钛矿太阳能电池。. 揭示具有不同特征参数的传输层薄膜对钙钛矿电池的光电转换性能与光电测试中迟滞现象，以及对电池结构中光生载流子的产生，扩散和复合机理的影响。实现对现有钙钛矿电池结构的改进与创新，达到改善钙钛矿太阳能电池的目标。本项目不仅为研究有机-无机复合钙钛矿电池的传输层薄膜提供了新途径，还对新型太阳能电池的发展起到一定的促进作用。

钙钛矿太阳能电池由于其卓越的光电转换性能与较低的制备成本被广大科研工作者关注，同时钙钛矿太阳能电池还有极好的应用前景。我们利用可控制备的超薄、高质量金属氧化物薄膜来制备电子传输层薄膜，在尽量保证光利用率的基础上，提高传输层的性能；通过将多层薄膜与钙钛矿材料相结合，构筑新型的钙钛矿电池器件，利用多层薄膜对载流子迁移和分离能力的提高以及对界面处陷阱态的修饰，制备高效率和稳定使用的钙钛矿电池；研究电子传输层在钙钛矿太阳能电池中的器件构筑、光电转换和电荷传输机制中存在的问题，最终达到改进光电器件的性能的目的。在氧化钛单相体系中，我们首先制备了具有优异电学性能的金红石相的氧化钛电子传输层，之后进一步通过对前驱体溶液的调控，制备多种微纳结构，最终制备出的钙钛矿电池最佳效率可提高到20.9 %。接着，我们还利用聚合物胶体小球与可控沉积技术，生长了具有类光子晶体效应的电子传输层，使用这一电子传输层构筑的钙钛矿电池对比平面结型钙钛矿电池效率提高了120 %。在复合电子传输层体系中，针对氧化钛电子传输层会吸收紫外光破坏钙钛矿电池稳定性的问题，我们分别采用氧化铁和硫化镉等可见光吸光材料制备多层结构，弥补氧化钛单相材料的缺陷问题。其中使用氧化铁构筑的钙钛矿电池的光电转换效率达到14.33%，这是就论文报道时的世界最高效率。在经过10个小时高强度紫外线照射后，器件依然保持95 %以上的性能，测试结果显示复合Fe2O3电子传输层薄膜具有良好的紫外防护能力。除此以外，我们还采用的高电导率的二维材料与电子传输层相结合，制备出的钙钛矿电池具有21 %光电转换效率，在测试1500小时后，还能有85 %的效率。本项目支持的研究不仅有利于加深对氧化钛材料的理解，而且提供了全新的电子传输层调控途径，对钙钛矿太阳能电池的拓展及其器件性能提升具有重要的指导意义。