环境友好新型超结构钙钛矿太阳能电池材料的可控制备及性能研究

Lead-free novel organic–inorganic halide perovskite solar cell is one of the important development directions in the research fields. In this proposal, by using in-situ solution synthesis method and solvent-induced fast crystallization method, organic–inorganic tin halide perovskite nanocrystallines with uniform size and high crystalline degree are to be synthesized. The effects of experimental conditions on controllable preparation of single/mixed organic–inorganic tin halides and close connection with oriented semiconductors will be investigated in detail. The oriented hierachical nanostructured semiconductors(ZnO, TiO2, et al) sensitized by the organic–inorganic tin halide nanocrystals can form superstructure systems and be used as photoanodes for Tin perovskite solar cell. The influences of size and growth density of the oriented semiconductors(ZnO, TiO2, et al), as well as the crystalline state and coverage of the perovskite organotin halides on the overall photo-to-electric conversion efficency will be systematically investigated. And the relationship between micro interfacial behavior and the preparing conditions are also to be elucidated. In addition, the lead-free perovskite solid state solar cell based on the oriented structured semiconductors/ organic–inorganic tin halide perovskite nanocrystallines /hole-transport materials are to be conducted to explore the seperation and transfer mechanisms of photoinduced electrons and holes. .This proposal supplies a new way for constructing the enviromentally friendly novel perovskite solar cells with high conversion efficiency and stability, which will be essential both in fundamental research and in technological applications.

新型高效无铅钙钛矿太阳能电池是太阳能研究领域的重要发展方向。本项目采用原位溶液合成方法以及原位溶剂诱导-快速结晶法，制备出尺寸均一、结晶度高的钙钛矿结构有机-无机卤化锡半导体纳米晶；探索单一及混合型钙钛矿结构有机-无机卤化锡纳米晶的可控制备条件，同时实现可控合成以及与有序纳米结构光阳极的紧密结合；基于半导体(ZnO,TiO2)有序分级纳米阵列/有机-无机卤化锡钙钛矿纳米晶的超结构组装体，研究有序分级结构的尺寸、生长密度，以及有机-无机卤化锡纳米晶均匀性、结晶状态、覆盖程度等因素对其光电转换效率的影响规律，揭示微观界面行为与制备条件的相互依存关系；探讨基于纳米阵列/有机-无机卤化锡钙钛矿纳米晶/空穴传输材料的电池组装方法，阐明光生电子-空穴在此特殊复合结构中的分离规律及传输机制，为构建环境友好、新型高效稳定钙钛矿太阳能电池提供新的研究思路。具有重要的理论和实际意义。

新型高效稳定、环境友好钙钛矿太阳能电池 (PSCs)是太阳能研究领域的重要发展方向。现有高效PSCs均基于铅基材料且稳定性不够理想，严重制约了其工业化应用。如何可控制备高品质少铅/无铅有机-无机杂化钙钛矿薄膜，构建高效捕光和光生电荷高效分离传输的有序结构体系，是目前面临的挑战。本项目采用金属元素锶(Sr)取代铅制备少铅钙钛矿薄膜材料并组装成电池，阐明Sr取代对钙钛矿微结构与电池效率及稳定性的影响规律，明晰相应作用机理，发展构建环境友好PSCs的新方法。. 主要研究内容：采用反溶剂及两步旋涂法，系统研究Sr取代对于制备高品质有机-无机杂化少铅钙钛矿纳米晶薄膜的影响；构建TiO2有序纳米阵列(或介孔结构)/少铅钙钛矿薄膜的超结构体系，阐明Sr取代对钙钛矿薄膜微观结构及电池效率的影响规律，揭示微观界面行为与制备条件的相互依存关系；探讨光生载流子在有序结构中的分离及传输机制，阐明Sr取代少铅PSCs的衰减机理。. 主要研究结果：（1）空气氛中具有不同给电子能力的PbI2溶剂直接影响两步旋涂法制备的钙钛矿纳米晶成核及生长。溶剂中极性成分含量增加，钙钛矿纳米晶尺寸增大且薄膜更加致密，尤其是薄膜与TiO2界面接触特性得到改善，最终电池效率提高。（2）以SrCl2和SrI2为取代剂，采用两步旋涂法制备出少铅钙钛矿薄膜，阐明了Sr取代对钙钛矿薄膜形貌及缺陷特征的作用机理，为揭示其光电换能性质提供了数据支撑。（3）构建了TiO2有序纳米阵列(TNRAs) / 少铅钙钛矿薄膜电池，探讨了Sr取代对钙钛矿薄膜微观结构及PSC效率的影响规律，明晰了光生载流子在有序结构体系中的分离规律及传输机制。（4）阐明了Sr取代少铅PSCs的衰减机理。发展出基于TNRAs / 少铅钙钛矿薄膜电池的制备方法，TNRAs结构更适用于高Sr含量取代的PSCs制备。. 我们发展出的基于有序纳米阵列/有机-无机杂化少铅钙钛矿结构体系，为构建环境友好、新型高效稳定PSCs提供新的研究思路，具有较为重要的科学意义和实际意义。