柔性钙钛矿型太阳能电池富勒烯电子传输材料研究

The bottleneck of high efficiency and low cost for the development of flexible thin-film solar cells might be overcome based on perovskite materials. As the most important electron transport material in flexible perovskite solar cells, fullerene-based materials should be envisaged. The project deals with the fullerene electron transport materials applicable in perovskite solar cells. Perovskite planar-heterojunction solar cells on flexible polymer substrates would be fabricated. The photovoltaic behaviors of the functionalized fullerene electron transport materials are evaluated by means of such as short-circuit current density, open-circuit voltage and fill factor. For understanding the mechanism responsible for efficient photovoltaics, the relationship of photovoltaic performances depending on fullerene structures or their assemblies would be studies in respect of electron mobility, interface stability, combination and compatibility of the involved fullerenes with perovskite materials. The novel fullerene derivatives acting as both electron transport and interface layers would be optimized to develop flexible perovskite solar cells with low cost and high efficiency (e.g., PCE>15%). On the background about synthesis, functionalization, photovoltaic properties of novel fullerenes and their derivatives in the past 20 years, a number of new fullerene-based materials with functional groups would be synthesized to develop flexible perovskite solar cells with high efficiency.

基于钙钛矿型结构材料，可望突破长期制约柔性薄膜太阳能电池发展的效率与成本的瓶颈问题，而富勒烯作为钙钛矿太阳能电池所需的最重要电子传输材料，亟待深入研究。本项目拟设计合成一批新型富勒烯及其功能化衍生物，制备基于柔性衬底的平面异质结钙钛矿太阳能电池，重点探索作为电子传输层的富勒烯衍生物及其组装结构与电池开路电压、短路电流等光伏性能的构效关系，从电子迁移率、界面稳定性、及与钙钛矿材料兼容性和匹配性等多方面出发，研究具有不同碳笼结构和各种修饰基团的富勒烯对钙钛矿电池器件光伏性能的影响，理解高效光电转换的微观机制，优化新型富勒烯作为电子传输材料（甚至界面修饰层）的应用，为发展高效率（能量转换效率高于15％）的柔性钙钛矿太阳能电池提供条件。申请者在新型富勒烯及其衍生物合成、功能化与光伏性质等方面进行了20余年的研究，本项目立足于这一难得的基础，从富勒烯这一重要方面来推进高效柔性太阳能电池的研究。

高效率和低成本的钙钛矿太阳能电池的出现，有望突破长期制约柔性薄膜太阳能电池发展的效率与成本的瓶颈问题，为柔性太阳能电池的发展提供了重要的机会。富勒烯及其衍生物是柔性钙钛矿太阳能电池电子传输层的最佳候选材料，亟待深入研究。在本项目执行期间，我们合成了多种新型富勒烯及其衍生物电子传输层材料，制备了基于富勒烯的柔性钙钛矿太阳能电池，探索富勒烯的分子结构和修饰基团对钙钛矿电池器件光伏性能和稳定性的影响，研究了富勒烯电子传输材料的LUMO能级、电子迁移率和表面形貌等因素对钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响，实现了原计划设定的高效率柔性钙钛矿太阳能电池的制备目标。我们开发了含有酯基、苯基和吡啶基等修饰基团的新型富勒烯衍生物作为电子传输材料，研究了修饰基团对电子传递、光伏性能和界面稳定性等的影响。我们构筑了基于全溶液处理的TiO2/C60双层电子传输层柔性钙钛矿器件，效率达到16%，并且经过1500次循环弯折后，电池效率任然保持原来的80%。我们将可以低温溶液处理的CeOx薄膜作为界面层材料引入到PC61BM和Ag电极之间，形成PC61BM/CeOx双电子传输层。PC61BM/CeOx双电子传输层的引入，极大地提高了器件的光照稳定性。此外，我们开展了具有新颖碳笼结构的新型富勒烯的合成工作，为本项目涉及的钙钛矿太阳能电池的研究提供丰富的富勒烯原料。项目的研究成果有望推动具有高效率和高稳定性的柔性钙钛矿太阳能电池的发展，促进钙钛矿太阳能电池的商业化应用。