MAPbI3/TiO2界面调控及界面电荷传递特性研究

In recent years, the organic-inorganic perovskite solar cell has become one of the hottest areas in photovoltaic (PV) research, and shows a broad application prospects, due to its high photoelectric conversion efficiency and low cost. Currently, the transport property of charge carriers at perovskite/TiO2 interfaces remains as one of the key factors limiting further improvement of the efficiency and stability. To this end, in the project three interface modulation methods including cation doping, C60 molecular modification and the synergy have been proposed, in order to modulate the charge transfer characteristics at MAPbI3/TiO2 interfaces. A systematic study would be conducted on the physical and chemical properties of MAPbI3/TiO2 interfaces before and after interface modulation, and meanwhile an in-depth research would be carried out on the charge transport dynamics both at the material and device conditions. Through this project, the influence of the three methods upon the charge transfer property at MAPbI3/TiO2 interfaces and the related mechanism would be analyzed, and a model on the relationship between the material interfacial properties and the charge carrier dynamics would be also established. Besides, it is expected to obtain some modulation schemes for enhancing the charge transport capability of MAPbI3/TiO2 interface. This project aims at laying the foundation for realization of highly-efficient and stable perovskite materials based solar cells, and thus promoting the development of the perovskite PV technology and industry in China.

近年来，有机无机钙钛矿太阳能电池由于其高的光电转换效率、低成本而成为光伏领域研究的热点之一，并展现出广阔的应用前景。而钙钛矿/TiO2界面的载流子传输性能是目前限制其进一步提高效率和稳定性的关键因素之一。基于此，本项目提出采用三种界面调控方法：阳离子掺杂、C60分子修饰以及二者“协同作用”，以实现对MAPbI3/TiO2界面电荷传递性质的调制。通过系统研究掺杂修饰前后MAPbI3/TiO2界面材料的物理化学性质，并针对材料和器件环境深入探讨界面的载流子输运动力学，分析三种方法对MAPbI3/TiO2界面电荷传递性质的影响规律和作用机制，建立界面材料性质与载流子动力学关系的模型，获得增强MAPbI3/TiO2界面电荷传输能力的调控方案，为实现高效稳定的基于钙钛矿材料的太阳能电池奠定基础，从而推动我国钙钛矿光伏技术与产业的发展。

有机无机钙钛矿太阳能电池由于具有高效率、低成本等优势，正吸引着全世界的广泛关注。目前，制约器件效率进一步提升的关键因素之一是钙钛矿/氧化物电子传输层的界面电荷传输，并且界面电荷积累易引起电池的“迟滞”及稳定性衰减等问题。本项目针对钙钛矿/氧化物界面电荷传递能力弱的关键问题，提出界面调控修饰的方案。主要开展了过渡金属Nb掺杂TiO2纳米线阵列电子传输层、3-氨基丙酸分子修饰钙钛矿/SnO2界面等研究。研究表明：Nb掺杂降低了器件性能对纳米线长度的依赖度，极大提高电池的光电转换效率（从13.5%提高至15.7%）。其中开路电压和填充因子提高显著（分别从1.051V和64.5%提高至1.111V和70.4%），而短路电流密度变化不大（修饰前后分别为20.47和20.46mAcm-2）。性能提高的主要原因为减少了界面复合，这得益于Nb掺杂带来的三个方面的材料改性：TiO2具有与钙钛矿更匹配的能级结构； TiO2表面的氧缺陷态减少了；纳米线内部的电荷输运能力得到了提高。研究发现：3-氨基丙酸对钙钛矿/SnO2界面修饰后，钙钛矿晶粒尺寸减小，尺寸更均匀，这可能是3-氨基丙酸中的氨基基团在DMF溶液环境亲水性增强，增加了钙钛矿膜的成核密度。瞬态光电流/光电压结果证实：3-氨基丙酸分子界面修饰能增强界面电荷萃取，减少界面复合。此外，在项目资助下还开展了富勒烯羧酸衍生物分子修饰ZnO/导电聚合物界面、铅酸电池中的铅源在钙钛矿电池中的循环利用和钙钛矿薄膜及空穴传输层性质调控等研究。项目较好的完成了预定目标：阐明了影响钙钛矿/氧化物界面传递性质的因素，获得了3种能够显著提高界面电荷传递性质的调控方案；发表研究论文10篇；申请中国发明专利4项，授权1项；培养硕士研究生4人，毕业1人。在本项目的研究基础上，有望进一步推动钙钛矿太阳能电池的产业化进程。