钙钛矿太阳能电池中载流子产生及传输过程的超快光谱研究

Perovskite, as photovoltaic material, has the advantage of excellent charge diffusion ability and high open circuit voltage et al. The lab power conversion efficiency has reached 15% after only 4 years of research, which makes it the most potential new generation photovotaic material. Extensive researches have been carried out on new perovskite materials synthesis and new device structures design. However clear understanding of some key basic mechanisms is still lacking.Such as the factors that affect the high charge diffusion ability, which is the main reason for the high performance of perovskite solar cells. And It was found that perovskite cells base on mesoporous TiO2 will generate defects under UV exposure and decrease its long term stability. What are the main factors that affect the formation of the defects and how the defects have influence on the charge recombination. Clear understanding of these questions are important to further improve the power efficiency and long term stability. Time-resolved spectroscopy is a powerful tool to study each unit process happens in the photovotaic cells and to better understand these mechanisms. The applicant, baesd on abundent previous ultrafast spectrascopic working experiences, will systematically use several time-resolved spectroscopic systems to investigate the key problems in perovskite-based solar cells and the basic process of the charge seperation and recombination. We expect to gain a whole picture of the photophysics in the perovskite solar cells and to contribute to the increase of the power convesion efficiency and long term stability of the perovskite-based solar cells.

钙钛矿作为光伏材料，具有电荷传输性能优异、开路电压高等优势，其光电效率仅经过4年就达到了15%,成为最具潜力的新一代光伏材料。科学家们在新钙钛矿材料的开发和新器件结构的设计方面做了大量研究，但对一些关键机理仍然没有定论，比如钙钛矿材料的高电荷扩散能力是其优异性能的主要原因，但目前对影响电荷扩散能力的关键因素还不清楚。另外基于TiO2多孔薄膜的钙钛矿电池在紫外照射下产生缺陷态从而降低了电池的长期稳定性，缺陷态的形成受哪些因素影响及缺陷态如何影响电荷复合尚需澄清，这些机理的阐明对于进一步提高电池效率和寿命具有重要的意义.时间分辨光谱技术是研究器件中各基元过程的强有力工具，为解答这些关键问题提供可能。申请人在大量超快光谱前期工作的基础上，将综合使用多种时间分辨光谱手段，对钙钛矿光伏器件中的关键问题以及最基本的电荷分离及复合过程进行探索，获得其中光物理过程的全面图像，为提高电池效率和寿命做出贡献。

钙钛矿作为光伏材料，具有电荷传输性能优异、开路电压高等优势，成为最具潜力的新一代光伏材料。科学家们在新钙钛矿材料的开发和新器件结构的设计方面做了大量研究，但对一些关键机理仍然没有定论，比如钙钛矿材料的高电荷扩散能力是其优异性能的主要原因，但目前对影响电荷扩散能力的关键因素还不清楚。另外基于TiO2 多孔薄膜的钙钛矿电池在紫外照射下产生缺陷态从而降低了电池的长期稳定性，缺陷态的形成受哪些因素影响及缺陷态如何影响电荷复合尚需澄清，这些机理的阐明对于进一步提高电池效率和寿命具有重要的意义.时间分辨光谱技术是研究器件中各基元过程的强有力工具，为解答这些关键问题提供可能。我们综合使用了多种时间分辨光谱手段，对钙钛矿光伏器件中的关键问题以及最基本的电荷分离及复合过程进行探索，获得其中光物理过程的全面图像，为提高电池效率和寿命做出贡献。. 项目通过超快光谱手段研究了有/无杂质掺杂的情况下钙钛矿薄膜的能带结构的变化及其自由电荷载流子的传输特性；对比阐述了我们对钙钛矿薄膜和量子点架构中的电荷传输动力学的认识；提出了光学微腔调控钙钛矿薄膜中载流子传输机制；分析了钙钛矿立方微晶中的放大自发发射现象；揭示了钙钛矿立方晶体中体效应和面效应对吸收和荧光特性的贡献；通过选择合适的淬灭剂，研究了以钙钛矿量子点为代表的钙钛矿材料的电荷转移和传输特性。这些为分析其在钙钛矿太阳能电池体系中的载流子产生和传输过程研究提供了实验原理性解释。此外还从理论上对光照下钙钛矿材料的受激发情况进行了第一性原理计算与预测，加深了我们对钙钛矿材料中电子激发效应的认识；制备了基于锥形空心光纤的紧凑型马赫-曾德尔干涉仪，以及在蓝宝石表面用飞秒激光加工了超衍射纳米结构，或可用于对钙钛矿材料性质的监测、保护和功能化上。