基于二维类钙钛矿结构材料及高迁移率空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池材料与器件研究

Lead halide perovskite materials, possessing low band-gap, high extinction coefficient, low exciton binding energy and high charge carrier mobility, have demonstrated great potential for solar cell application. Currently, the power conversion efficiency of perovskite solar cells has exceeded 17%. Although great progress has been achieved for perovskite solar cells, there are two remaining major challenges: (1) lead used in the active layer of the solar cells is harmful for human beings and the environment. It is urgent demand to develop non-lead perovskite materials. (2) the lifetime of perovskite solar cells need be improved significantly. The rapid degradation of perovskite solar cells will dramatically limit the application of perovskite solar cells. The objectives of this proposal will be focused on developing 2D light harvesting perovskite-type materials based on organic semiconductors or graphenes and inorganic element. The inorganic elements to be explored will be those widely used for 3D perovskite materials. By making use the better stability of the 2D structures over 3D structures of perovskite materials, the new developed perovskite materials could offer better stability for perovskite solar cells. Another objective of this proposal is to develop new hole transporting materials which possess higher charge mobility and appropriate hydrophobicity. The better charge mobility will enhance the charge collection of the devices and thus improve power conversion efficiency. The appropriate hydrophobicity of the hole transporting materials will effectively prevent the moisture from permeating into the device, thus will improve the device lifetime. We believe the proposed research may result in break-through in perovskite solar cells.

铅卤化物钙钛矿型材料因为带隙窄、吸收系数高、激子束缚能低、迁移率高等优点在太阳能电池领域展示出巨大的应用前景。目前钙钛矿太阳能电池器件效率已经达到17%以上。钙钛矿太阳能电池的研究虽然进展迅速，然而它面临着两大主要挑战：（1）活性材料的铅对环境及人类健康有害，目前亟需研究非铅系的新型钙钛矿材料。（2）显著提高器件寿命。器件的快速衰减将严重限制钙钛矿太阳能电池的发展。本项目将集中研究有机半导体或石墨烯与钙钛矿无机构建单元结合的二维类钙钛矿型材料，建立无铅新型太阳能电池材料。利用二维结构较好的稳定性，提高器件寿命，并研究二维结构与器件寿命之间的关联性。本项目也将深入研究具有高载流子迁移率以及合适疏水性的新型空穴传输材料，利用其高穴传输能力以及对水的阻断作用，同时提高电池器件的效率与寿命。我们相信通过此类材料的深入研究，将会进一步拓宽钙钛矿型太阳电池的领域，并可能取得突破性进展。

铅卤化物钙钛矿型材料因为带隙窄、吸收系数高、激子束缚能低、迁移率高等优点在太阳能电池领域展示出巨大的应用前景。目前钙钛矿太阳能电池器件效率已经达到22%以上。钙钛矿太阳能电池的研究虽然进展迅速，然而它面临着三个主要挑战：（1）传统的spiro类空穴传输材料价格较高缺少真正能实际利用的钙钛矿空穴传输材料（2）钙钛矿器件性能的稳定性以及水氧耐受性将严重限制钙钛矿太阳能电池的发展。（3）应用于钙钛矿器件制备的添加剂种类不够多，其作用机理也不够明确。此外，钙钛矿作为典型的半导体，晶体薄膜具有长程电荷传输，以及高效的电荷收集能力，被证明是非常有潜力发光二极管材料。但是其器件稳定性以及水氧隔绝能力相对于钙钛矿太阳能电池来说相关研究更为稀少。基于以上背景：（1）我们合成了新型的简单高效的IDT-TPA系列钙钛矿空穴传输材料并对器件性能及材料特性做了相关表征。（2）在钙钛矿制备工艺研究中，我们首先利用1-氯萘（CN）作为添加剂，器件性能获得了30%的提升。其次，我们利用盐酸肼作为前驱体的添加剂，来调控钙钛矿薄膜的形貌及其晶体结晶度，有效的提高了器件的吸光能力以及载流子寿命，进而提升了钙钛矿的整体性能。最后，我们利用原子层沉积技术在钙钛矿表面修饰了复合型氧化铝薄膜，实现了在20%-50%大气条件下工作1000小时仍然有93%的器件效率。同时在水中浸泡3小时后，器件效率仍然能保持在最初的80%。（3）对于钙钛矿发光二极管的制备工艺我们也做了比较系统地研究。首先，我们采用无机Cs+代替典型的甲胺离子，合成了纯无机钙钛矿材料，利用原子层沉积法制备了正置全无机钙钛矿发光二极管的电子传输层材料ZnO，利用ALD技术制备的ZnO传输层带隙深，致密度高，空穴阻挡性好及稳定性好，可以增强钙钛矿材料及器件隔绝水氧的能力，延长发光寿命等特点，提高器件性能，并且通过界面修饰研究克服原子层沉积技术制备氧化物水源对钙钛矿的影响，获得稳定性优异的钙钛矿发光二极管器件。其次，我们利用NaBr作为添加剂，改变了钙钛矿层的薄膜形貌，提高了钙钛矿发光二级管的发光效率。