高稳定性陷光结构倒金字塔钙钛矿太阳能电池的构筑及性能研究

This proposal carry out the fabrication of V-type rutile TiO2 nanotubes, the inverted-pyramid perovskite is prepared via copying the template of V-type rutile TiO2 nanotubes. The basic research of the enhancement of photovoltaic property and stability induced by the special inverted-pyramid perovskite will be investigated. Based on the interpretation of the growth mechanism, the inverted-pyramid perovskite with a better contacted interface and controllable crystallization will be fabricated. The morphology of inverted-pyramid perovskite will be optimized to reduce the reflection and transmission of the incident light. The effect of perovskite structure, micro-nano light trapping morphology, film thickness and the crystalline control on the photoelectric property will be investigated. The rule of the perovskite composite interface covered by nanotube, crystalline control and the preparation technology on the stability will be obtained. The principle of synergistic enhancement of perovskite material composition, micro-nano light trapping structure and composite interface on the photoelectric conversion and stability is also interpreted. This proposal provides the theoretical basis and technical approach to the fabrication of an efficient light trapping perovskite solar cell with high stability.

本课题拟在原创性V-型TiO2纳米管的基础上，采用V-型模板限域空间生长倒金字塔钙钛矿纳米锥，开展纳米管封装的陷光结构钙钛矿复合材料提高光伏性能和电池稳定性的应用基础研究。具体深入掌握钙钛矿在V-型限域空间的生长机制，制备界面和结晶可控的倒金字塔钙钛矿纳米锥，解决限域空间生长钙钛矿材料的界面控制和结晶调控（结晶度和形貌调控）的难题。优化高效利用太阳光的倒金字塔陷光结构形貌参数，开展陷光结构提高光的利用率，以及纳米管封装和钙钛矿结晶调控提高光伏性能和电池稳定性的研究工作。获得钙钛矿电池陷光结构、材料组成、结晶调控以及膜厚与光电性能之间的关系；掌握TiO2纳米管封装、钙钛矿的复合界面、结晶调控等制备工艺对于电池稳定性的影响规律。阐明倒金字塔钙钛矿陷光结构、结晶调控和复合界面优势协同提高光伏性能和电池稳定性的原理，为发展高效率和高稳定性钙钛矿光伏电池提供科学依据。

在前期已经取得的研究成果的基础上，继续深入探讨和研究各向异性刻蚀的机理，并完善TiO2纳米材料V-型陷光结构的刻蚀机制。课题最初研究采用贵金属和空穴来构筑电池，在研究过程中，逐渐采用碳材料取代空穴材料和贵金属被电极，针对碳基太阳能电池中光电转换效率较低的问题，采用离子掺杂、界面修饰对制备的TiO2纳米棒、纳米管进行不同程度的改性，并应用于太阳能电池以提高电池光电转换效率，在碳基全无机钙钛矿电池领域目前取得领先水平(13.81%)。. 从提升钙钛矿薄膜光吸收的角度出发，通过简单的一步水热法合成具有陷光结构的上转换铒和镱（Er/Yb）共掺的陷光结构倒金字塔TiO2纳米锥阵列（NCs），大幅提升器件的光谱利用率以及光吸收能力，基于Er/Yb共掺杂TiO2 NCs所制备的电池器件获得了13.38%的光电转换效率，未封装器件在空气中放置30天仍能保持原始效率的86%。通过界面调控在空气中制备高质量钙钛矿薄膜，空气中制备的基于Zn掺杂有机无机杂化全碳基钙钛矿太阳能电池获得15.64%的光电转换效率，并具有优异的环境稳定性，未封装器件在空气中放置90天后仍能保持原始效率的87%。.从光管理工程角度出发提高碳基钙钛矿太阳能电池的性能。NaYF4：Er，Yb作为一个被公认的最优上转换发光材料，我们将其复合于Al2O3阻挡层中，通过IPCE测试发现在900-1000nm范围内有红外响应，大大提升了光的利用率，效率可达13%以上。在800-1100nm的红外照射下电池取得了0.1%的转化效率。电池具有极高的空气稳定性，封装器件在空气中可保持3000 h稳定性。. 针对全无机钙钛矿太阳能电池中光电转换效率较低的问题，采用钙钛矿离子掺杂、界面修饰对制备的陷光结构TiO2纳米棒进行不同程度的改性，并应用于太阳能电池以提高电池光电转换效率。通过界面调控在空气中制备高质量钙钛矿薄膜，并进行光学管理获得高性能钙钛矿太阳能电池。采用低成本材料取代空穴传输材料和贵金属背电极，制备出了高稳定性碳基钙钛矿太阳能电池，碳基全无机钙钛矿电池效率达到国际领先水平(13.81%)。