微量水分子催化钙钛矿薄膜降解机制的原位研究

Stability in perovskite solar cells (PSCs) are one of the most pressing issues to push on its industrialization. It is generally known that the metal halide perovskite is extremely sensitive to the moisture atmosphere. Residual moisture in the device and the water vapor through packaging material will undoubtedly influence the lifetime of the PSCs devices. Thereby, it is of great significance that study the stability issues on the PSCs exposed to low moisture atmosphere (RH<5%) and regulating the structure of perovskite thin films towards high stability devices. The specific research contents are divided into the following two aspects: (i) the fabrication of novel structural perovskite thin films based on water and low dimensional bimetallic perovskite, in-situ research on the film forming kinetics and stability kinetics of the as-prepared thin films, (ii) constructing the in-situ analyses system, research on the structural factors of trace water induced devices failure and the effect of structure controlling on the device performances. The previous research achievement indicates that the project applicant has rich research experiences in the optoelectronic devices, chemical principle, material architecture and characterization. Through the film structure regulation, the stability of PSCs in low moisture atmosphere could be successfully enhanced and the film forming process was studied by using in-situ detection technology, which indicates the research project is feasible and have instructive function to theoretical researches and applications.

金属卤素钙钛矿太阳能电池的稳定性是推进产业化进程的重要指标之一。该类钙钛矿材料对水气极为敏感，器件中残留的水分子和封装结构的水气渗透都会影响器件的长效性。通过对钙钛矿薄膜进行结构调控，增强薄膜在低湿度（<5% RH）环境下的耐水性，进而有效提高器件在简单封装条件下的稳定性。本项目的研究内容主要分为以下两个方面：（1）水分子和低维双金属钙钛矿材料诱导制备新型钙钛矿薄膜，通过原位表征技术对其成膜的动力学以及成膜后的稳定性机制进行研究；（2）建立器件的原位表征系统，研究微量水分子造成器件衰减的结构因素，以及钙钛矿薄膜的结构调控对器件性能的影响机制。前期研究成果表明，项目申请人在光伏器件、化学原理和材料设计与表征方面具有丰富的研究经验。经尝试调控钙钛矿薄膜的结晶性，增强了器件在低湿度气氛下的稳定性，通过原位表征技术研究了其成膜过程，该项目可行性高，对理论研究和实际应用具有指导意义。

新型钙钛矿太阳能电池（PSCs）在光伏领域掀起了一场崭新的科技革命。PSCs器件的效率迅速提升，推动了其产业化进程，但是，PSCs依旧面临着一些亟待解决的问题，其中最为棘手的是其稳定性问题。而传统研究稳定性的方法都是将器件直接暴露于大气中，并对其阶段性老化的产物进行表征，由于钙钛矿的水氧敏感性，以上方法极易在样品转移测试过程中发生未知分解。针对以上问题，开发了一系列原位表征设备系统，建立低湿度气氛下的SEM-IV、TRPL-电化学阻抗谱（EIS）-DLCP-IV等原位测试系统，实现特定老化环境下的材料结构和器件性能的原位、实时采集，有效避免环境湿度对测试过程的干扰。此外，就钙钛矿材料软晶格特性本身易分解的特性，我们调控了晶格结构的对称性，将其从对称性较低的正交相调控到立方相，极大提高了晶体在低湿度环境下的稳定性。我们进一步开发了以新型1D-3D为代表性的新型钙钛矿材料，由于1D材料具有线性链状特点，结合A位共轭基团的π电子相互作用，能够形成除了无机八面体之外的新型传输途径，在不影响电荷传输的情况下同时提高了器件的转换效率和稳定性。通过对钙钛矿结构调控，器件在30%相对湿度下老化1000h，效率保持率超过80%，相比空白器件有了显著提升。就器件在低湿度下的分解机制，我们使用自主开发的原位表征系统进行了深入研究。该理论和方法对建立材料与器件的构效关系、理解低湿度气氛对PSCs器件稳定性的影响机制具有重要意义。相关研究发表学术论文18篇，其中包括能源材料领域顶级杂志Adv. Energy Mater. 2篇，Adv. Funct. Mater. 3篇，Nano Energy 1篇，Small 1篇和国产杂志Journal of Semiconductors 2篇等。新申请发明专利5项，获授权发明专利10项，或授权实用新型专利1项。培养1名硕士研究生完成毕业设计，正在培养5名硕士研究生进行研究工作。申请人在国家青年基金项目的资助下获批广东省杰出青年项目。