钙钛矿太阳能材料的离子扩散及其对稳定性影响的理论研究

The weak stability of organic-inorganic hybrid perovskite is the key fact to hinder the application in solar cells. Although experimental observations demonstrate that ion (including organic molecule) diffusion is closely related to the stability, the knowledge on the mechanism of ion diffusion is scarce. Different from conventional semiconductors, ion diffusion in organic-inorganic hybrid halide perovskite may exhibit unusual physical mechanism, due to the geometrical shape of organic molecule and anti-bonding character of valence band maximum. Meanwhile, the non-regular shape of organic molecule provide challenge for conventional methods to deal with ion diffusion, thus the knowledge of ion diffusion is scarce especially from fundamental understanding. In this project, we start from first-principles calculations, develop new calculation methods for organic molecule diffusion, systematically investigate physical rule of the intrinsic and extrinsic (water and oxygen) ion diffusion in hybrid perovskite and the impact of external field, unveil the physical relation between ion diffusion and kinetic stability and provide guideline to enhance the kinetical stability of hybrid perovskite.

有机-无机杂化钙钛矿材料的弱稳定性是阻碍其作为太阳能电池大规模产业化的关键因素。尽管实验研究表明离子扩散（包括有机分子，下同）行为与稳定性关系密切，但是当前对扩散的微观机制仍然缺乏了解。与传统无机半导体不同，杂化钙钛矿中的离子扩散行为由于有机分子的几何形状以及反键态的电子价带特性，可能呈现出一些特殊的物理机制。同时，有机分子的几何形状对扩散问题的传统研究方法产生了挑战。本项目将从第一性原理计算出发，针对有几何形状的有机分子，发展固体中分子扩散的计算新方法，同时利用最近发展的多重势垒扩散理论，系统探索钙钛矿太阳能材料中本征缺陷与环境离子（水分子和氧气）扩散行为的物理规律以及外场等外界因素对离子扩散的影响，揭示离子扩散与动力学稳定性的内在联系，为提高钙钛矿材料的动力学稳定性提供理论依据。

有机-无机杂化钙钛矿材料的弱稳定性是阻碍其作为太阳能电池大规模产业化的关键因素。尽管实验研究表明离子扩散（包括有机分子，下同）行为与稳定性关系密切，但是当前对扩散的微观机制仍然缺乏了解。与传统无机半导体不同，杂化钙钛矿中的离子扩散行为由于有机分子的几何形状以及反键态的电子价带特性，可能呈现出一些特殊的物理机制。同时，有机分子的几何形状对扩散问题的传统研究方法产生了挑战。本项目从第一性原理计算出发，针对有几何形状的有机分子，发展固体中分子扩散的计算新方法，同时利用最近发展的多重势垒扩散理论，系统探索钙钛矿太阳能材料中本征缺陷与环境离子（水分子和氧气）扩散行为的物理规律以及外场等外界因素对离子扩散的影响，揭示了有机分子CH3NH3取向、离子半径、价态的变化规律，提出通过元素替换、应力等方式进行势垒调控的方案，为提高钙钛矿材料的动力学稳定性提供理论依据。