基于新型聚合物/无机杂化空穴传输材料的高效钙钛矿太阳能电池研究

The preparation of efficient and stable hole-transporting materials using solution-processed processing at low cost is one of the main issues for further large-scale commercial application for perovskite solar cells. But the commonly used hole-conductor has high cost and low stability, as well as the relatively fixed energy levels. In this project, a novel polymeric/inorganic hybrid hole-transporting materials will be prepared based on high mobility inorganic material bounded with functionalized poly-triarylamine. In consideration of the energy difference of perovskite materials, we will design and synthesis dual-functionalized poly-triarylamine with tunable energy level to meet the requirement of various perovskite system. We will investigate the crystalline growth and morphology of perovskite film on various hole-conductors surface. And we can achieve finely crystallized and pore-free perovskite films by figuring out how the interface structure influence the crystallization and uniformity during film formation process. Meanwhile, the surface modification using dual-functionalized poly-triarylamine can not only passivate surface trap states but also shift the energy offset of the inorganic hole-conductor, which can be used to study the effect of poly-triarylamine incorporation on hole transport and collection at the interface. Therefore, we can depress the charge and energy loss with the aim of improving device performance. This work will provide a series of novel and general hybrid hole-transporting materials for fabricating efficient perovskite solar cell at low cost.

实现低成本、高稳定性且可溶液加工的高效空穴传输材料是钙钛矿太阳能电池大规模商业化应用所面临的主要问题，然而目前广泛应用的空穴传输材料成本高、稳定性差且能级相对固定。本项目以高导电率的无机材料为基体，键和含特定官能团的聚三苯胺类有机材料的方式制备新型聚合物/无机杂化空穴传输材料，同时考虑到钙钛矿材料能级的多样性，设计并合成能级可调的双官能化共聚三苯胺，制备一系列不同功函数的杂化空穴传输材料。考察在不同空穴传输材料表面钙钛矿晶体的生长情况和结晶形貌变化，理解不同界面的表面结构对钙钛矿晶体生长及薄膜均匀性的作用机理，获得高结晶度且无孔隙钙钛矿薄膜；考察官能化聚三苯胺对无机空穴传输材料表面缺陷和功函数的修饰，理解聚三苯胺的引入对空穴在界面传输和收集的调控机制，最大可能减少电荷和能量的损失并提高器件光电性能。本项目为低成本制备高效钙钛矿太阳能电池提供了一类通用的新型杂化空穴传输材料。

低成本制备高稳定性且可溶液加工的高效空穴传输材料是反向钙钛矿太阳能电池大规模商业化应用所面临的主要问题，然而目前广泛应用的无机电荷传输材料界面性质复杂、成膜性差且导电性不佳。本项目以高导电率的无机材料的制备为基础，再通过有机分子的结构设计来调控上层钙钛矿薄膜的结晶并增强载流子的传输和收集以实现高效反向钙钛矿太阳能电池。系统的阐述了基于无机氧化物（如NiOx等）电荷传输层的反向钙钛矿器件中，无机氧化物的低电导率和高表面缺陷态密度对载流子传输和收集的影响，并通过掺杂和制备工艺对NiOx等薄膜的电学性能进行优化。进一步，我们研究了不同分子结构的有机功能材料对器件性能的影响，探讨并总结界面复合的高效抑制策略，归纳出有机界面材料的设计准则。研究表明双亲性共轭聚合物PTFTS在大面积器件的制备上具有很大优势，其三苯胺骨架的引入有利于空穴转移，氨基等官能基团的引入可大幅降低界面缺陷态密度，基于此方案，以氧化石墨烯为空穴传输层的柔性大面积器件在改性后获得了17.0%的光电转换效率。我们发现在氨基化聚合物修饰界面的同时，可原位形成二维钙钛矿，首次报道了二维钙钛矿/三维钙钛矿异质结的形成。我们还围绕反向钙钛矿太阳电池，展开了器件结构优化方面的工作。开发了新型反向介孔钙钛矿电池结构，得益于无机氧化物纳米材料（Cu-NiOx）的电导率优化，增强了空穴收集效率，实现了高效p-型介孔的层的构建；得益于有机-无机核壳纳米粒子（Fa-ZnO）的独特性能，我们首次实现n-型纳米粒子在背接触层的梯度分布，基于此，我们开发了双敏化结构的反向介孔钙钛矿太阳能电池，小面积器件的光电转换效率达到了21.1%。 这些研究成果对发展反向钙钛矿太阳能电池具有一定的指导意义。项目按计划圆满完成，达到了预期结果，实施过程中以第一作者或通讯作者共发表SCI论文11篇，授权专利2项。