混合阳离子钙钛矿薄膜缺陷态及器件稳定性研究

Mix-cation formamidinium-based perovskite materials have attracted huge attention due to their potential of higher device efficiency and stability. Recent report on mix-cation perovskite solar cells (PSCs) show power convert efficiency of over 20%. However the device stability is far from commercialization requirements, and the degradation mechanism is still un-clear. To improve the stability of PSCs, it is crucial to investigate the formation mechanisms of the defect state in perovskite film, which prove to be a key factor on determining the device performance. In this work, we investigate the effects of element ratio and film fabrication process on defect state by temporal-integrated photoluminescence intensity method. We will explore the relationship between defect state and long-term stability of mix-cation perovskite film. Based on these basic studies, we will find the key factors on mix-cation perovskite degradation and finally fabricate mix-cation PSCs with long-term stability. These results will contribute to better understanding of the degradation in perovskite materials and provide solid techniques to further improve the long-term stability of PSCs.

混合阳离子钙钛矿材料目前受到广泛关注，其比甲胺基(MA)钙钛矿吸收光谱更宽，且材料不易热分解，热稳定性更好，目前器件效率超过20%。但是电池稳定性远达不到商业化要求，问题仍待解决。目前电池的衰退机理还不是十分明确，因此探索钙钛矿材料稳定性机理，探索新制备工艺将是实现电池长期稳定工作的重要任务。深入研究材料缺陷态分布与器件性能间的关系可以揭示钙钛矿材料和器件稳定性的重要机理。本课题将通过荧光时域积分技术开展对混合阳离子钙钛矿薄膜缺陷态分布研究，理清不同组分和技术对薄膜缺陷态分布的影响，找出影响薄膜材料稳定性的关键性因素，并开发长期稳定多元阳离子钙钛矿薄膜的制备技术，实现长期稳定多元阳离子钙钛矿太阳能电池。为高效稳定的器件提供理论依据和可靠技术。

混合阳离子钙钛矿材料目前受到广泛关注，在FAPbI3钙钛矿中掺入铯离子、甲胺离子等阳离子,可以形成多阳离子及多卤素离子的钙钛矿(FACs, FAMACs), 这种结构的钙钛矿目前被认为是高效的光伏器件的最佳组成，这种钙钛矿在结构上相对更稳定，其比纯甲胺基(MA)或铯基钙钛矿吸收光谱更宽，从黄色非钙钛矿相到黑色钙钛矿相转变温度低，不易产生其他杂相。本项目深入研究了混合阳离子薄膜性质，并开发了多种钝化多元阳离子薄膜缺陷态的方法，大幅度提升混合阳离子钙钛矿太阳能电池的效率及稳定性，证明了薄膜缺陷态为器件效率和稳定性的关键性因素。相关成果发表论文3篇，2篇在投。. 研究内容重点为以下几个方面：（一）项目系统研究了混合阳离子FA/CsPbI3钙钛矿薄膜性质，PbI6八面体的尺寸、晶格常数、电荷分布、带隙、态密度和吸收光谱与有机阳离子的取向及其与铯原子之间发生耦合效应密不可分。当阳离子<100>方向旋转到<110>方向与<111>方向时，FA和FA/Cs系统的晶格常数和畸变指数都会先减小后增大。尽管最小值都出现在相同的取向<110>上，但由于甲脒阳离子取向和铯离子之间的相互作用，FA/Cs系统中<111>平面的畸变指数小于FA系统。表面阳离子的取向和铯元素的掺杂的耦合效应，改变了晶格中离子之间的作用力，如范德华力和N-H···I氢键。.（二）项目对混合阳离子FA/MA/Cs混合阳离子钙钛矿对表面缺陷态钝化技术进行探索。未进行表面钝化剂的器件最佳效率为18.81%，利用2D钙钛矿BAMAPbI、F-PEAI，PEABr，OABr作为表面钝化剂，器件的最佳效率提升至20.52%。这主要是通过相关分子间作用钝化3D钙钛矿表面的悬空键，优化与界面层之间的接触降低串联电阻。.（三）项目进一步研究了FA/Cs双阳离子钙钛矿薄膜的缺陷态钝化技术。研究通过调节不同比例的PbI2含量，大幅度提升了钙钛矿太阳能电池效率。过量的碘化铅能够促进钙钛矿形成较大的晶粒，减小了由晶界引起的缺陷态的形成，提升了器件的开压和填充因子。最终器件的性能由19%提升至21%。.（四）项目进一步研究过量PbI2的FA/Cs系统的缺陷态表面钝化，我们研究了表面钝化剂ApaCl作用于钙钛矿薄膜上能够有效提升器件性能。器件的开路电压由1.08 V提升至1.14 V。器件的最佳效率达到22.6%，器件稳定性也大幅度提升