低温型NG/TiO2电子传输层构筑及其协同增强电子传输效应

Due to its poor electron mobility, TiO2 used as electron transport materials in Perovskite Solar Cells (PSC) results in current-voltage hysteresis. Although heteroatom doping and TiO2 surface engineering techniques can suppress the hysteresis, the complex fabrication process and high expense will limit development of low-cost, high-efficient PSC. In this project, N-doped graphene (NG) is employed as a modified layer at TiO2 and Perovskite interface. The research idea is to construct a low-temperature NG/TiO2 as electron transport layer (ETL) in PSC. By the selective control of N doped atoms, the effects of different N atoms on the conductivity and hydrophilicity of NG will be investigated and the interactions between the hydrophilic NG and the morphology, crystallinity and grain boundary defect of perovskite film will be discussed as well. By the study of its dynamics and photovoltaic performance, we expect to clarify that the highly conductive NG enhances the electronic extraction of TiO2 layer and further achieves the cooperative enhancement of electron transport effect, eliminating hysteresis in PSC device. Based on the study of the reaction between NG surface with atmospheric hydrocarbons, we will take advantage of the hydrophilic-to-hydrophobic transition to improve the chemical stability of ETL. The proposed project will provide new methods for the application of low-temperature electron transport materials and scientific guidance for the mechanism of cooperative enhancement of electron transport.

TiO2作为电子传输材料，其较低的电子迁移率会导致钙钛矿太阳能电池出现电流电压迟滞现象。异质原子掺杂和表面修饰TiO2技术虽然能缓解器件的迟滞现象，然而复杂的工艺、昂贵的价格限制了低成本高效率钙钛矿电池的发展。本项目拟采用氮掺杂石墨烯(NG)作为TiO2与钙钛矿薄膜界面的修饰层，提出构筑低温型NG/TiO2电子传输层思路。通过对氮原子掺杂种类的选择性调控，研究不同氮原子对NG导电性和亲水性的影响，深入探讨NG表面亲水性与钙钛矿薄膜形貌、结晶性和晶界缺陷等作用规律。通过动力学和光伏性能的表征，揭示高导电性NG强化TiO2电子抽取能力并实现协同增强电子传输效应，解决钙钛矿电池的迟滞现象。通过研究NG与大气中碳氢化合物的反应机制，利用其表面亲/疏水性质的转变，提高电子传输层的化学稳定性。本项目的开展将为低温型电子传输材料的应用提供新的方法，并为协同增强电子传输的理论提供科学依据。

本项目首先针对正式结构钙钛矿太阳能电池（PSC）器件难以解决的迟滞效应和稳定性问题，提出利用原位界面修饰技术，将多巴胺分子原位锚定在超小/结晶度高的TiO2纳米晶体（DA-TiO2）上，并将其作为高效的电子传输层（ETL）应用于大气环境下制备的平面PSC中；系统地研究了钙钛矿薄膜在高湿度（RH~ 50%）条件下的结晶行为，提出了利用易吸湿的多巴胺分子实现介孔PbI2支架的机理，实现了钙钛矿的完全转化；同时我们发现具有高偶极矩的多巴胺中间层不仅调整了能级排列，而且缓解了TiO2/钙钛矿界面的电荷积累，得到了高效率、无滞后的平面PSC。基于这个研究工作，进一步系统地研究了具有不同DA表面覆盖的TiO2纳米晶体可调控的电子性质，发现DA分子原位锚定不仅可以提高TiO2薄膜的电导率，而且可以调节TiO2/钙钛矿界面的能级排列，增加电荷提取能力，从而显著减少TiO2和钙钛矿层之间的电荷积累；利用这种低温型DA-TiO2电子传输材料，大气环境下制备的平面PSC的光电转换效率可提升至19.45%。此外，为了解决钙钛矿制备过程中所涉及的毒性溶剂问题，开发了一种以低毒性硝酸铅水溶液为前驱体，在柔性基底上制备混合钙钛矿的环保制备方法；通过调节转化动力学，对NO3-和混合阴阳离子间的中间离子交换动力学的研究，证明了混合体系中钙钛矿的转化率大大提高，得到了具有最佳组成的钙钛矿；环境友好的硝酸铅水溶液前驱体与杂化离子的相互作用，加深了人们对钙钛矿转化机理的理解，为在大气环境中以水为加工溶剂实现低毒性的制备工艺提供了巨大的潜力。