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界面修饰技术提升钙钛矿太阳能电池的稳定性材料前沿热点、能源材料、有机高分子材料。

关键词： 钙钛矿、界面修饰、稳定性

应用领域

光电功能材料与器件

成果简介

近年来，由于太阳能具有资源丰富、清洁、可再生等诸多优点，受到了科研界和工业界的广泛关注。尽管钙钛矿太阳能电池（PSCs）在过去十年里得到飞速发展，但目前高效率电池中使用的有机无机杂化钙钛矿材料的稳定性较差，从一定程度上限制了其大规模商业化应用。与传统杂化钙钛矿相比，全无机钙钛矿具有较优异的热稳定性和与生物的兼容性，使得相关光电器件具备可稳定长期使用的可能。但是由于全无机钙钛矿带隙较大，由此产生较大的能量损失，导致其光电转换效率相对较低。因此发展新型高效稳定的 CsPbIxBr3-x全无机钙钛矿太阳能电池成为当前研究的热点。其中，CsPbBr3以其具有优异的环境稳定性，且其制备过程对环境条件要求低等优点备受关注。有研究人员利用碳材料取代金属电极制备出无空穴传输层的PSCs，由于碳材料具有极强的离子迁移惰性和耐水性，从而可以进一步提升器件稳定性，使其具有更为广阔的应用前景。

本团队发展了一系列无机钙钛矿材料CsPbBr3薄膜的简易制备技术，通过连续沉积法，再不使用手套箱和真空镀膜仪的前提下，可制备高纯度，均一平整的全无机钙钛矿材料CsPbBr3薄膜并获得高稳定性全无机钙钛矿太阳能电池。并进一步采用多种掺杂剂对钙钛矿前驱液进行掺杂，利用掺杂剂的配位效果和强离子迁移性提高器件性能，使得缺陷态密度大大降低，并且相应器件中的暗复合被有效地抑制，载流子寿命延长，并探究了不同浓度掺杂剂对CsPbBr3 PSCs的影响。同时，本团队还采用了一种可持续的双溶剂体系，用于以三步溶液处理制备高质量的CsPbBr3薄膜，其中双溶剂体系由绿色溶剂组成以代替传统的CsBr的有毒甲醇溶剂。通过调节热处理温度和自涂速度，得到了无针孔、超光滑和高结晶度得CsPbBr3薄膜。此种方法有效地减轻了CsPbBr3钙钛矿太阳能电池制备过程中的溶剂毒性。最后通过材料设计、性质测定、结构表征、器件组装和效能评价，阐明钙钛矿材料和电子传输材料能级匹配、界面匹配和结构匹配规律，进一步研究全无机钙钛矿组成、结构、带隙等调控机制对器件的光电性能和长期稳定性影响。

本团队方法与传统溶液法制备有机无机钙钛矿薄膜相比，通过优化制备工艺，引入不同材料进行离子取代等方式获得高质量的钙钛矿薄膜，改变光吸收特性，优化能级匹配及提升结构稳定性，最终提升CsPbBr3器件的光伏特性。同时开发无空穴导电层和碳基电极的太阳能电池结构，不再使用昂贵的空穴材料以及替换贵金属电极。具有操作简易，成本低廉且重复性较高等优点，为实现钙钛矿器件的商业化奠定了一定的基础。

经济效益与社会效益

这项研究有助于推进钙钛矿太阳能电池的实用化、商品化，对解决钙钛矿电池在实际应用中的稳定性问题意义重大。