高功函过渡金属氧化物/铅卤钙钛矿材料界面调控及其在光伏器件中的应用研究

Development of low temperature processed, low cost, stable and high efficient hole transport layer for organic lead trihalide perovskite (OTP) photovoltaic devices has been a critical problem for improving the device performance. High work function transition metal oxide (TMO, including MoO3, WO3 and V2O5) have been widely used for hole extraction in organic and silicon photovoltaic devices. However, due to adjustable energy structure of OTP and TMO, the energy level alignment at the interface of OTP/TMO is complex, leading to poor device performance. In our early research, we explore the low temperature regulation of TMO defect states in order to obtain efficient hole extraction. Base on the method, this project aims at optimizing the interfacial energy level alignment of OTP/TMO for photovoltaic application by using solvent engineering to modulate the surface composition and band structure of OTP, and by using low temperature defect regulation to tune the band structure of TMO. The interfacial energy level alignment, charge distribution and carrier transport will be revealed by ex-situ and in-situ surface characterization method such as XPS, KPFM, … The correlation between the device performance and the interfacial regulation will be established to build stable, high efficient OTP photovoltaic devices. This project will push forward the fundamental research on low temperature processed, low-cost, stable and high efficient hole extraction materials for OTP photovoltaic application, and develop feasible techniques for high performance OTP photovoltaic devices.

取代有机空穴传输层，开发可低温制备、廉价、高效和高稳定性的铅卤钙钛矿空穴传输层已成为进一步提升钙钛矿太阳能电池性能亟需解决的关键问题之一。高功函过渡金属氧化物(TMO，包括MoO3，WO3和V2O5)作为廉价、稳定、优秀的空穴选择/传输材料被广泛应用于有机和硅光伏器件中。由于钙钛矿材料和TMO的能带结构均有复杂可调特性，使得目前TMO/钙钛矿材料的界面空穴输出受限。本项目前期探索了低温下调控TMO的缺陷态以获得高效空穴选择的初步方法，以此为基础，本项目将通过溶液工程调制铅卤钙钛矿薄膜的表面成分和能带结构，通过低温缺陷和掺杂工艺调制TMO的能带结构，结合表界面原位表征技术建立TMO/铅卤钙钛矿材料界面能级排列的物理图像，揭示界面能级调控规律和载流子分离、输运、复合的机制，发展基于TMO载流子传输层的铅卤钙钛矿太阳能电池。本项目将为开发廉价、高效、稳定的铅卤钙钛矿太阳能电池提供可行的技术方案。

昂贵且不稳定的有机空穴传输层（HTL）是阻碍钙钛矿太阳能电池广泛应用的关键问题之一。本项目预期采用稳定、廉价的高功函数金属氧化物对传统的spiro-OMeTAD进行替代。研究中后期由于金属氧化物空穴传输的器件效率难以提高，因此项目进行调整，进一步研发高功函数准二维（2D）钙钛矿HTL。项目取得下面3点重要进展：.1. 制备并研究了几种金属氧化物空穴传输层（MoO3-x，Cu2O，V2O5-x，NiOx），研究了掺杂、界面改性对钙钛矿光伏器件的性能的影响。研究一方面揭示了器件效率受到界面反应的影响；另一方面也揭示了导电率与功函数存在制约关系，并直接制约器件效率的提升。.2. 深入研究了钙钛矿薄膜气相法、溶液法制备的结构演变规律。通过对温度、时间、分子给电子能力的调控，揭示了气相法中结构维度的调控规律。针对混合钙钛矿制备过程中相竞争导致结构失稳的问题，发展了双离子交换法，实现了钙钛矿结构与光学带隙的同时优化，提高了器件的稳定性。相关工作被Advanced Science News作为研究亮点报导。.3. 基于上述方法，发展了基于准2D结构的空穴传输层，并通过掺杂实现了导电性、功函数的调控，实现了高效、高稳定3D/2D异质结钙钛矿电池。进一步通过原位分析技术揭示了表面2D层增强器件稳定性的过程，提出了自缓冲热稳定模型。..项目在Advanced Energy Materials、Nano Energy、Joule等杂志上发表SCI论文20篇，影响因子大于10的7篇；亮点报道1篇；基于表界面分析技术在钙钛矿光伏器件中的综合应用的研究获得2020年中国分析测试协会科学技术（CAIA）奖二等奖（排名第四）；申请发明专利2项，培养年轻骨干两名，均获得国家青年基金资助。