固态染料敏化异质结太阳电池的稳定性和衰减机理

Solid state dye-sensitized heterojunction solar cell is a new kind of photovoltaic devices developed in this decade. It uses solid state hole transporting materials instead of liquid electrolytes, which avoid the leakage and corrosion in liquid dye-sensitized solar cells. In recent years, the solar-to-electric efficiency of solid state dye-sensitized heterojunction solar cells has been remarkable improved, and the efficiencies of some best devices even close to that of liquid dye-sensitized solar cells. Although promising results have been gotten in device efficiency, few stability data were reported. Up to now, special study on device stability and decay mechanism was rare. Because solar cells are expected to continuous work for several years,the stability is one of the most important factors for solar cells. Therefore, it is necessary to take systematic studies on the device stability and decay mechanism for solid state dye-sensitized heterojunction solar cells. By this project, we can master the stability condition and the control factors in this kind of device, which will also provide necessary knowledge for further improving the device stability.

固态染料敏化异质结太阳电池是近十年发展起来的新型光伏器件，它使用固态空穴传输材料替换液结染料敏化太阳电池中的电解液，可以有效解决电解液泄漏和腐蚀的问题。近年来，固态染料敏化异质结太阳电池的性能获得了明显进展，转换效率已接近液结染料敏化太阳电池的水平，显示了很好的应用潜力。但关于固态染料敏化异质结太阳电池的稳定性研究却严重滞后，只有很少的稳定性数据被报道，关于稳定性以及衰减机理的专门研究更少。太阳电池属于需要长期稳定工作的器件，其稳定性在整体性能中占有重要位置。因此，有必要对固态染料敏化异质结太阳电池的稳定性和衰减机理进行专门的系统研究，以了解其稳定性状况和控制稳定性的因素，并为进一步改善器件稳定性起指导作用。

固态染料敏化异质结太阳电池是一种重要的低成本光伏器件。近年来，随着具有钙钛矿结构的有机卤化铅染料的应用，其器件性能获得了大幅提高，成为太阳电池领域的研究热点。目前，有机卤化铅太阳电池的稳定性还不理想，在国家自然科学基金的支持下，我们重点研究了这一光伏体系的稳定性影响因素和衰减机理。研究表明，有机卤化铅的分解和相变是导致器件性能衰减的重要原因，湿解反应和光氧化反应是导致有机卤化铅老化的重要过程。针对有机卤化铅吸光层中缺陷容易加速老化过程的特点，我们研究了吸光层薄膜的喷雾反应制备方法和混合溶剂形貌调控方法，获得了高结晶度、均匀致密的有机卤化铅吸光层，这种方法适合制备大面积高质量吸光层，且器件性能优异。针对基于甲脒的有机卤化铅材料在室温下容易转变为六角相的问题，我们采用喷雾反应方法，提出了通过体相和界面掺杂铯离子，形成的固溶体吸光层表现出很好的钙钛矿结构稳定性和器件性能稳定性，器件光电转换效率也有提高。针对在光照下，有机卤化铅吸光层容易被二氧化钛电子传输层氧化分解的问题，开发了镧掺杂的二氧化钛电子传输层，制备的器件在光电转换效率和光稳定性两方面都有显著提高。采用醋酸铅作为前驱体制备有机卤化铅，可以改善吸光层的平整度和覆盖度，但器件效率容易老化衰减，我们提出了醋酸铅和硫氰酸铅混合前驱体的方案，同时获得了良好的吸光层形貌和良好的器件稳定性。此外，通过本项目的研究，我们还在固态染料敏化异质结太阳电池的封装方法、无空穴传输层器件的界面处理、平面结器件中电子传输层的设计制备、电子传输层/吸光层界面接触等方面取得了进展。本项目的研究成果，在探索固态染料敏化异质结太阳电池稳定性的影响因素、理解器件老化的微观机理、寻找改善器件稳定性的方法等方面具有促进作用。