用于高效稳定光电器件的无机钙钛矿卤化铅材料物相调控相关基础问题研究

Recently, the application of inorganic-organic hybrid perovskite materials on optoelectric devices has received great achievement, and a lot of interest has been focused. Developing inorganic perovskite materials (e.g. CsPbI3) is an effective approach to improve the device stability; while problems such as room-temperature phase transition, secondary phase and local phase separation are still encountered. To improve the phase and performance of the inorganic perovskite, we are going to study the phase properties of these materials and their regulations. By studying the influence of composition, film deposition method, temperature and pressure on the structure, phase, optical and electrical properties, a systematical understanding of the crystallization and thermodynamics phase diagram of the perovskite is going to be obtained. The mechanisms and methods for the regulations over the crystallization and phase of the material will also be explored. Ultimately, we will manipulate the macroscopic and microscopic phases and their stability of the material for the fabrication of high-quality inorganic perovskite devices.

近年来，钙钛矿卤化铅材料在光电器件方面的应用取得了巨大进展，吸引了材料、物理和化学等诸多领域的兴趣。目前，发展以铯铅碘(CsPbI3)为代表的无机钙钛矿材料是提升钙钛矿光电器件稳定性的重要手段，但仍面临常温物相转变、二次相和局域物相分离等问题。为了进一步改善该类材料的物相结构和光电性能，本项目拟对其结晶和物相特性进行研究和调控。通过研究材料组分、沉积方法、温度以及压强等薄膜沉积的物理化学条件对多组分无机钙钛矿薄膜的结构、组成、物相、光学和电学性质的影响，建立对该类材料高温成核生长过程和多元热力学相图的系统认识，探讨材料结晶和物相调控的相关机制和方法。进一步地，调控材料宏观和微观物相及其稳定性，实现高质量无机钙钛矿薄膜及光电器件的制备。该研究对于全面系统地认识无机钙钛矿的关键材料特性和提升其在光电方面的高效应用具有重要意义。

近年来，钙钛矿卤化铅材料因其优异的热稳定性、光电稳定性，在光电器件方面具有潜在的应用前景，特别是它的带隙非常适合作为叠层电池的顶电池，吸引了材料、物理和化学等诸多领域的兴趣。目前，发展以铯铅碘(CsPbI3)为代表的无机钙钛矿材料、提升其光伏器件效率和稳定性是现阶段研究重点。针对全无机钙钛矿电池效率的主要影响因素，本项目研究重点集中在于如何提升CsPbI3钙钛矿晶体质量。通过调控前驱薄膜组成、相转变过程、抑制中间相形成等策略实现了晶粒尺寸大、晶界少且无明显孔洞的CsPbI3钙钛矿薄膜。在此基础上，制备了高效率CsPbI3电池，光电转换效率达到21.5%，认证效率20.5%，为此类电池的世界最高效率。在持续光照及偏压（最大功率点）超过3000小时，电池效率无衰减，表明电池具有优异的光电稳定性。该研究对于全面系统地认识无机钙钛矿的关键材料特性和提升其在光电方面的高效应用具有重要意义。项目执行期间申请4项专利，在Joule，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上发表20篇论文，3名博士生顺利毕业。