基于有机金属卤化物钙钛矿薄膜或单晶界面电子结构和载流子输运性研究

In a little over three years, there has been an unexpected breakthrough and rapid evolution of highly efficient solar cells based on organometal trihalide perovskite materials. We propose a research program to study the electronic properties of the interface based on organometal trihalide perovskites using surface/interface analytical techniques. The objective of our program is to resolve the fundamental issues and to overcome the urgent challenges regarding the interface formation, electronic structure, carrier relaxation dynamics. The primary techniques for the investigations include ultraviolet and x-ray photoelectron spectroscopy, inverse photoemission spectroscopy, and x-ray diffraction to study the electronic structure at these interfaces. The surface structure and morphology will be monitored with low energy electron diffraction, scanning tunneling microscopy and atomic force microscopy. The carrier dynamic will be studied with time-resolved 2-photon photoemission spectroscopy, transient absorption spectroscopy, time of flight measurement. The photoelectric properties evolution of perovskite thin films with their thickness will be investigated using dual source coevaporation layer by layer. The interfaces between the coevaporated perovskite films and organic, inorganic functional materials will be studied to find the energy level alignment, the charge transfer barrier and their dependence on the growth sequence of the interface. The interfaces between the perovskite single crystal and functional layer will be explored to elucidate the enhancement of charge transfer and the increase of the efficiency of the corresponding device. The factors of governing the efficiency will be investigated by modifying the interface and inserting a variety of functional layers, combined with theoretical calculations. This study will help to promote our country in the field of solar cells based on perovskite to catch up with the advanced levels in the world.

最近几年来，基于有机金属卤化物钙钛矿的高效率太阳能电池技术取得了重大突破和迅猛发展，其光电转换效率迅速提高。本项目将针对钙钛矿太阳能电池中界面这一影响其光电转换效率的关键科学问题，采用光电子能谱等多种界面探测技术，探索界面微观形貌、电子结构、载流子输运性能。采用双源共蒸法进行钙钛矿薄膜的逐层生长，研究薄膜的电学性质随厚度的演化规律。对基于蒸镀法制备的钙钛矿薄膜与有机、无机功能层之间的界面进行能级匹配、载流子转移势垒研究，并探索界面生长顺序对界面性能的影响。对基于钙钛矿单晶与功能层界面进行研究，揭示单晶对增强电荷转移，提高器件效率的有效性。结合界面表征、原型器件测试，揭示钙钛矿太阳能电池中光致载流子的产生、复合及输运动力学过程，阐明界面电荷输运以及电池的工作机理，确定影响薄膜的载流子迁移率和相应器件的功率转换效率的重要因素。这些研究将有利于推动我国在钙钛矿太阳能电池研究领域占领战略制高点。

钙钛矿电池的稳定性问题是制约其规模化应用的主要障碍之一，对其中的降解及其机理的研究是目前该领域的一个热点。本项目研究了发生在基于CH3NH3PbI3的钙钛钙钛矿材料及器件中的界面问题是一个核心科学问题。本项采用真空蒸镀法制备了多种钙钛矿薄膜，构建了钙钛矿与多种功能材料的界面，原位非原位表征了界面形貌、电子结构、能级接合、载流子输运过程，并构建了多种光电器件，研究了改善器件性能的方法及其机理。 . 定性研究了钙钛矿薄膜质量对衬底、蒸镀速率及退火温度的依赖关系，发现Au衬底对于MAPbI3的生长最为有利，其对前驱成分的吸附性强于PEDOT和ITO，CsPbBr3的组织结构与热处理温度密切相关，低温退火后薄膜主要以CsPbBr3和CsPb2Br5混合相形式存在，高温退火后前者占据主导地位，400 oC退火后可获得理想结构和较少缺陷的CsPbBr3薄膜。表征了一系列界面，比如CsPbBr3/C8-BTBT、MoO3/NPB/MAPbI3、Au/C8BTBT/MAPbI3以及Au/MoOx/ FAxMA1-xPbI3等界面，利用AFM、SEM研究了界面的形貌，XRD研究晶体的结晶性，UPS、XPS研究了界面的电子结构、化学反应等，发现部分界面处形成类p或类n掺杂效应，或者形成导电沟道从而有利于载流子的输运。基于上述界面的器件包括太阳能电池、场效应晶体管或光电探测器相应表现出好的性能，具有高的功率转化效率、良好的稳定性以及大的光电流和响应度等。.为了提高钙钛矿电池的功率转换效率，我们采用反溶剂法制备出功率较高的，为探索其中的环境降解机理，我们将降解后的器件中钙钛矿活性层剥离出来进行表征。研究发现开路条件下，我们制备的器件表现出良好的光稳定性，功率因素基本保持不变，且无明显迟滞效应产生；对活性层的表征发现存在一定的光致n型掺杂行为，但活性层的吸收特性、结晶性能及电子结构都无明显变化；短路条件下，因为回路中持续的光电流会导致离子迁移和重新分布，形成更多的结构缺陷，产生更多的囚禁态，使器件的光电性能；但延长的光辐射会使器件的性能部分恢复，电池被发现有自愈行为，因为该电池中钙钛矿的覆盖层为活性层提供了相对隔离的环境，光化学反应的分解物或中间相结构在一定条件下又会复原，囚禁态会部分消除，处于囚禁态中的载流子会弛豫回导带和价带中，使器件性能恢复。