柔性可印刷贵金属-上转换协同增强钙钛矿太阳能电池光伏性能研究

Metal halide perovskite solar cells (PSCs) have shown great commercial prospects due to their outstanding advantages such as high power conversion efficiency, low cost, simple preparation process and flexible-substrate compatibility. It is an important approach to improve the competitive superiority of PSCs by combining low-cost printed electronics for high photovoltaic performance. In this project, high-accuracy printing of flexible PSCs will be performed by the use of inkjet printing and screen printing technology. The incident light will be synergistically modulated by the introduction of noble metals and upconversion nanostructures. Taking advantage of the surface plasmon resonance of noble metals, the efficiency of upconversion luminescence and incident light trapping can be improved simultaneously, resulting in a double enhancement in photovoltaic properties of PSCs. Based on the interaction mechanism between noble metals and upconversion nanostructures as well as the photo-generated carrier’s transport mechanism, the device structure will be optimized, and high power conversion efficiency can be achieved by increasing the incident light trapping efficiency and expanding the spectral response range, respectively. This work can provide theoretical and experimental basis for efficient flexible printable PSCs.

金属卤化物钙钛矿太阳能电池因兼具光电转换效率高、成本低、制备工艺简单以及柔性衬底兼容等突出优点而展现出巨大的商业化前景。结合低成本的印刷电子技术构建高效率的钙钛矿太阳能电池器件，是提升其竞争力的重要手段。本项目拟采用喷墨打印与丝网印刷技术实现柔性钙钛矿太阳能电池的高精度印刷制备，并通过贵金属与上转换纳米结构的引入对入射光进行协同调制，利用贵金属表面等离子体共振同时强化上转换发光与钙钛矿活性层入射光俘获效率，实现贵金属-上转换纳米结构对太阳能电池光伏性能的双重增强。在揭示贵金属-上转换相互作用机制与光生载流子在钙钛矿活性层中的传输机制基础上，优化器件结构，从提升入射光俘获效率与拓展光谱响应范围两个角度显著提高太阳能电池光电转换效率。本项目的研究将为柔性可印刷钙钛矿太阳能电池光伏性能的增强提供重要的理论和实验依据。

金属卤化物钙钛矿太阳能电池因低成本、高效率、制备工艺简单以及柔性化兼容等突出优势而成为极具前景的下一代光电转换器件。采用低成本的印刷电子技术有望为大面积、低成本、柔性化钙钛矿太阳能电池器件的制备提供新的解决方案。本项目主要从贵金属-上转换纳米结构的可控合成，贵金属-上转换相互作用机制，柔性透明导电薄膜的高精度丝网印刷，以及柔性钙钛矿太阳能电池的制备四个方面对课题进行了系统的研究。在优化工艺参数的基础上，首先实现了NaYF4:Yb3+, Er3+上转换纳米晶与一维银纳米线的可控合成。通过调节纳米晶的形核与生长过程，合成了不同尺寸的上转换纳米晶，并实现了超长银纳米线的制备（平均长度达到75 μm）。基于制备的贵金属-上转换纳米结构，系统研究了贵金属尺寸、隔离层厚度以及等离子峰位置等参数对上转换发光的影响，揭示了贵金属-上转换相互作用机制以及关键影响因素。结果发现，受Au颗粒尺寸与Au壳层厚度影响的等离子共振频率是决定上转换发光性能的关键。基于合成的一维超长银纳米线，配制了高导电的丝网印刷油墨，并实现了柔性透明导电薄膜的高精度印刷制备。所配制的油墨展示出合适的粘度与流变行为，丝网印刷银纳米线透明导电薄膜在不同网格周期下均展示出较高的导电率、透光率、以及机械柔韧性。以丝网印刷银纳米线透明导电薄膜为电极，制备了钙钛矿太阳能电池器件。其中，以丝网印刷网格边长为3 mm的钙钛矿太阳能电池器件的最高效率可达到14.57%，实现了低成本、大面积、柔性化钙钛矿太阳能电池器件的制备。