基于掺杂改性Fe2O3电子传输层的高效稳定钙钛矿太阳能电池研究

Perovskite solar cells (PSCs) have advanced rapidly in only a few years after its invention, due to its low cost, high power conversion efficiency (PCE) and straightforward architecture. PCE of PSCs rapidly increases from 9.7% to 22.1% with the usage of solid-state organic hole-transport materials. However, the device based on the conventional TiO2 electron-transporting layer (ETL) faces with significantly mysterious hysteresis in current density-voltage curves and inferior stability when exposed to ambient air and intense UV radiation. Therefore, the current research focus has shifted from pursuing PCE enhancement to device stability issues. Aiming at these problems, this project proposes that the doped α-Fe2O3 can be used as ETL materials of PSCs. Compared with TiO2, the relatively reduced photocatalytic active and deep level position of conduction band of α-Fe2O3 help reduce hysteresis and improve UV stability of PSCs. The proposer of the item mainly focus on the doping modification of α-Fe2O3 ETL to further optimize crystal structure, energy band structure, surface state and electric performance. These improvements will ultimately lead to high-performance mesoporous and planar type PSCs with high PCE as well as improved ambient and UV stability. Overall, it is practicable from the view of theoretical foundation and technology solutions for this project, which is of great significance in understanding the charge transfer mechanism and realizing the industrialization process of PSCs.

钙钛矿太阳能电池（PSCs）依靠成本低，转换效率高，结构简单等优势，短短几年时间取得突飞猛进的发展。固态有机空穴传输层的引入促进能量转换效率从9.7%迅速增加到22.1%。然而基于传统TiO2 电子传输层的PSCs存在着显著的J-V滞回，同时也面临着严峻的紫外和环境稳定性问题。因此，当前的研究重心开始从追求效率提升转向器件稳定性问题。本项目对此提出采用掺杂改性的赤铁矿(α-Fe2O3)替代TiO2作为PSCs的电子传输层。与TiO2相比，α-Fe2O3具有较深的导带能级位置和较低的光电学化活性，有助于减小滞回并提高紫外稳定性。申请人拟通过掺杂改性α-Fe2O3电子传输层，进一步优化晶体结构，能带结构，表面态及电性能，最终实现转换效率高，紫外和环境稳定的高性能平板及介孔PSCs。总之，本项目在理论基础和技术方案是切实可行的, 对于深入理解电荷传输机制及实现PSCs产业化具有重要意义。

传统TiO2钙钛矿太阳能电池在长期光照及紫外照射下呈现出差的性能稳定性。上述问题在户外，特别是高海拔地区显得尤为棘手。本项目提出采用掺杂的六方晶型赤铁矿(α-Fe2O3)替代TiO2作为电子传输层。热力学结构稳定的α-Fe2O3具有相对匹配的能带结构、弱的光催化化活性，有助于提升器件在持续光照（包括紫外）下的稳定性。然而，α-Fe2O3钙钛矿太阳能电池面临着能量转换效率低，高温，高湿等环境下的稳定性较差的不利因素。这主要归因于α-Fe2O3与钙钛矿层的界面接触较差，以及钙钛矿成膜质量不高。基于上述问题，本项目开展了如下三个方面的研究工作：.① 掺杂改性α-Fe2O3电子传输层.通过在α-Fe2O3电子传输层中掺杂少量Ni离子，实现α-Fe2O3的能带结构，晶体结构，表面特性等的调控，促进光生电子的抽取，抑制界面电荷复合，降低J-V滞回，提高能量转换效率。.② 纳米锥阵列α-Fe2O3电子传输层.溶液法制备了纳米锥结构的α-Fe2O3电子传输层。由于增加的接触面积，纳米锥结构可有效提高光生电子在界面处的抽取及注入能力，减少电荷复合，进一步提高能量转换效率。. ③ 新型钙钛矿缺陷态钝化剂.设计研发三种高效缺陷态钝化剂（交联硫辛酸（Poly(TA)）、羟基氧化铁量子点（FeOOH）、N,S共掺杂石墨烯量子点（NSGQDs）），并引入到电荷抽取界面及钙钛矿吸光层内部，开展多界面缺陷态钝化的研究工作。研究发现缺陷态钝化剂起到多重作用：1）改善钙钛矿薄膜质量；2）减少电荷抽取界面的缺陷态；3）增强电荷抽取能力及抑制电荷复合。.优化设计后，α-Fe2O3基钙钛矿太阳能电池的能量转换效率从14%提升到19.2%，无明显J-V滞回。在高温、高湿及强紫外照射等环境下的稳定性显著提升。本项目为改善钙钛矿太阳能电池在各种环境条件下的性能稳定性提供设计方案，有助于促进钙钛矿太阳能电池的产业化进程。