有机金属卤化物钙钛矿薄膜中的光激发态研究

The hybrid organic-inorganic solid photovoltaic (PV) solar cells based on the semiconductors methyl-ammonium (CH3NH3; MA) lead halide perovskites, MAPbX3 (where X stands for halide) have attracted great attention recently. Because the efficiency of perovskite solar cells has increased from 3.8% in 2009 to more than 20% now. For the exciton binding energy of typical hybrid perovskites such as MAPbI3 and MAPbBr3 has been reported to be in the range of 20-150 meV; this is of the order of the thermal energy at room temperature, RT (kBT = 26 meV at T = 300K). This is very different than in conventional inorganic and organic semiconductors, resulting in differences in photoexcitation properties among them. Here we outline a proposal studying photoexcitations in three model perovskites, namely CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-xClx and CH3NH3PbBr3, using various spectroscopies including absorption and photoluminescence (PL) , PL dynamics, electroabsorption (EA)，and specially broad band time resolved spectroscopy. Our research will pursue: 1. Spectral characters of excitons and free carriers, as well as their dynamic interaction. 2. How the optical properties as well as photocarrier generation mechanism are affected by interfaces between perovskties and charge transfer layers. 3. How to adjust and even control the optical, optoelectronic properties using the films' morphology. 4. Optical studies on other novel perovskites, in particular, those without lead. Not only our findings will bring insightful understanding to the optoelectronic process in organometal trihalide perovskites; but also our results will supply the ideas to improve the power conversion efficiency of perovskite solar cell and to drive the development of novel photoactive perovskite.

基于有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从2009年的3.8%飙升到现在超过20%，已经成为当前新能源研究的热点。因为此类材料的激子束缚能和室温热能相当，所以具有与传统无机和有机半导体不同的光激发态性质。我们计划利用吸收和发光谱、瞬态发光、电吸收谱、特别是宽带的时间分辨光谱等多种光学手段，在三种代表性材料CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-xClx和CH3NH3PbBr3体系中，开展光激发态的研究。包括1.激子和自由电荷的光谱特性和动态相互作用。2.钙钛矿/电荷传输层的界面对其光学性质、特别是光生载流子产生的作用机理。3.薄膜形貌对光学、光电性质的调控。4.其他新型钙钛矿特别是无铅体系的基础研究。我们的研究将对厘清钙钛矿材料中光电转换的过程有重要意义，从而为促进提高其光电转换效率和研发新材料提供物理基础。

基于有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从2009年的3.8%飙升到现在超过25%，已经成为当前新能源研究的热点。本项目中我们利用吸收和发光谱、瞬态发光、电吸收谱、特别是宽带的时间分辨光谱等多种光学手段，在三种代表性材料CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-xClx和CH3NH3PbBr3体系，以及新的低维钙钛矿光电材料中，开展光激发态的研究。研究内容包括：1）代表性钙钛矿材料的发光和光致吸收光谱。2）研究钙钛矿/介孔TiO2的接触面、钙钛矿和电子传输层例如富勒烯的界面，对钙钛矿光学性质的影响。3）我们将研究钙钛矿薄膜形貌对其光学、光电性质的影响。4）新型钙钛矿、特别是二维钙钛矿材料的光学性质研究。5)有机半导体的光谱研究。取得的成果主要如下：1）提出了CH3NH3PbI3-xBrx 混合薄膜中,因为相分离而导致的亚稳态产生的二步机制。2）发现证明电荷在三维和准二维钙钛矿和衬底之间的转移将降低其热稳定性，并提出相应的建议。3）实验从光谱上提出了大极化子在钙钛矿薄膜中、和基激复合物在钙钛矿和电荷转移层之间存在的证据，并测量了极化子的束缚能约为40 meV。4) 分析了钙钛矿中的激子超快光致吸收谱和其他半导体材料例如碳纳米管，有机聚合物等的物理过程的相似之处，我们的结果建议激子的光致吸收的广泛存在，并进一步研究了多种三维钙钛矿材料的光激发态的性质。5）提出全光学的方法来研究Rashba 能级分裂，并测量了二维钙钛矿薄膜的(C6H5C2H4NH3)2PbI4中的，Rashba参数为 (1.6 ± 0.1) eV·Å。6）利用Hanle效应测量了CH3NH3PbBr3薄膜中的自旋寿命 (温度77 K时，约为240 ps，110 K时，约为40 ps)。并且发现自旋寿命和激发的光子能量有关。7）采用各种方法制备了基于多种钙钛矿的光电池器件，分析了形貌和光电转换效率的关系，并提出了一些提高光电转换效率和消除迟滞现象的方法。8）研究了一些有机半导体材料的光学性质以期望加深对有机无机杂化钙钛矿半导体光电特性的理解。.我们的研究促进了对钙钛矿材料中光电转换的过程的理解，为促进提高其光电转换效率和研发新应用方向提供了思路。已发表19篇SCI论文，其中一区7篇，二区8篇，三区4篇；国内核心期刊3篇。毕业3博士5硕士，还有三位博士研究生，七位硕士研究生在读。已申请两个专利。