基于低温溶液法制备的CuAlO2空穴传输层的高稳定钙钛矿太阳能电池研究

The exploration of inorganic hole transporting materials (HTM) is an critical pathway to improve the stability of perovskite solar cells (PSCs). However, the in-depth studies on inorganic HTM are still not enough up to now. CuMO2 (M= Al3+, Ga3+, In3+ etc.) delafossite semiconductors have been applied in optoelectronic area as the transparent conductive oxide and HTM due to their large bandgaps and high conductivity. However, high quality CuMO2 films are traditionally obtained via high temperature treatment (around 1000 oC), which limits their applications. Upon those considerations, we propose to construct highly stable perovskite solar cells via developing low-temperature solution processed CuAlO2 nanocrystals. The effect of divalent metal ions doping (Zn2+, Mg2+) on the charge carrier mobility and conductivity will be investigated thoroughly. The design principles of high efficiency inorganic HTM will be disclosed by rational design of novel device structure and by combing the precision optoelectronic dynamic characterizations. As a result, high quality porous delafossite films will be constructed. Finally, the relationship between the optical properties, electrical properties and the device stability will be founded by insightfully optimizing all functional layers and investigating the device stability under accelerated aging conditions. Thus this study could provide the reference for the development of highly stable and efficient perovskite devices.

无机空穴传输材料的开发是改善钙钛矿太阳能电池稳定性的重要手段。然而，目前关于无机空穴传输材料的研究还不深入。CuMO2（M=Al3+，Ga3+，In3+等）铜铁矿材料因具有较宽的带系、高的电导率而被作为有潜力的透明电极和空穴传输材料应用于光电领域。但是，高质量铜铁矿薄膜通常需要高温制备（1000度左右），极大地限制了其应用范围。因此，本项目拟以CuAlO2纳米晶的低温溶液法制备为基础，以高稳定钙钛矿器件的获取为目标。通过研究二价金属离子掺杂（Zn2+，Mg2+）对材料载流子迁移率、电导率的影响，并结合新型器件结构的设计以及精密光电动力学表征，揭示高效无机空穴传输层的设计原则，从而制备出高质量多孔铜铁矿空穴传输层。最后，详细优化各功能层，并考察器件在加速老化条件下的稳定性，以建立无机空穴传输层的光学及电学性质与器件稳定性之间的联系，从而，为稳定高效钙钛矿太阳能电池的开发提供参考。

无机空穴传输材料的开发是改善钙钛矿太阳能电池稳定性的重要手段之一。然而，目前关于无机空穴传输材料的研究还不够深入，而且，基于无机空穴传输层的钙钛矿太阳电池效率明显滞后于基于有机空穴传输层的器件。为此，本项目聚焦CuMO2（M=Al3+，Ga3+，Cr3+，Sc3+等）铜铁矿型半导体，发展铜铁矿型半导体的低温溶液法制备策略，并研究其作为钙钛矿电池中空穴传输层的潜力，取得了以下重要进展：1）构建了双层级联电荷传输层，有效提高载流子的分离和传输性能、抑制了宽带隙钙钛矿电池中空穴的反向传输问题；2）通过二价金属离子掺杂有效调控本征CuCrO2材料的空穴迁移率、电导率以及薄膜缺陷态密度，结合顶层级联电子传输层设计，实现稳定高效反式钙钛矿电池的制备；3）首次实现CuScO2纳米晶的低温溶液法制备，并将其应用于钙钛矿电池中，针对界面缺陷问题，提出一种离子补偿策略，有效修复钙钛矿薄膜埋底界面、抑制非辐射复合，最终实现效率大于23%反式钙钛矿电池的制备。这些研究结果为钙钛矿电池的实用化发展奠定了重要的研究基础。此外，项目组还进行了一些拓展研究：设计制备了新结构电子传输层，调控器件内部电场分布，将基于一维电子传输层的正式结构器件效率提高至22.5%；构建了多功能界面桥，将多元混合阳离子钙钛矿电池效率提高到24.71%；开发了钙钛矿活性层薄膜质量调控新策略，将正式平面结构钙钛矿电池效率提高至25%以上。