钙钛矿功能光伏材料相转变机制、行为调控及能隙设计

Halide perovskite materials have attracted more and more attention in recent years due to their unique optical, electronic, magnetic, and optoelectronic properties, and potential applications in optoelectronic devices. The halide perovskite is a class of ionic material with a 'soft' lattice compared to other photovoltaic semiconductor materials. This results in a highly reconfigurable crystal structure with relatively easy structural rearrangements induced by external stimuli to undergo phase transitions. However, the understanding of the phase propagation, the structure of the perovskites, the connection between the structure and properties of bulk materials, and the influence of vacancy and strain on the phase transitions is still lacking. This project mainly focuses on the development of new composition and new structure perovskite materials, in order to explore and obtain functional photovoltaic halide perovskites with abundant structural phase transition behaviors, tunable transition temperatures and procedures, tunable absorption and colors, and high photoelectric conversion efficiency. Our study will mainly focus on (1) the synthesis of new composition and new structure perovskite single crystals and thin films, the control of the purity and defect, and the study of the crystallization mechanism; (2) phase transition process, behavior, transition method and control, in situ measurements to study the structure-optical property relationships, and molecular modeling unveiling the underlying mechanism; (3) exploration of the potential functional photovoltaic applications.

近年来，卤化物钙钛矿材料由于其独特的光学、电学、磁学和光电物理性质以及在光电子器件方面潜在的应用获得了越来越多的关注。相对于其他光伏半导体材料而言，卤化物钙钛矿是一类具有“柔软”晶格的离子材料，导致其结构是高度可塑的，在外界刺激下相对容易产生结构的重组，从而引起丰富的相变现象。但对于相变的传播，结构，结构和性质的联系，缺陷、应力对相变的影响等的研究还十分缺乏。本项目主要着重于新组分、新结构钙钛矿材料的开发，探索获得具有丰富结构相变行为、可调相变温度、相变方式、可调光吸收及颜色、高光电转换效率的钙钛矿功能光伏材料。具体研究内容包括（1）新组分、新结构钙钛矿晶体和薄膜的控制合成，纯度调控、缺陷调控及结晶机理研究；（2）结构相变过程、行为、相变方法和控制，原位研究结构相变和光学性质的联系，并结合分子动力学模拟阐述其内在机理；（3）探索潜在的功能光伏材料的应用。

近年来，卤化物钙钛矿由于其独特的光学、电学、磁学和光电物理性质以及在光电子器件方面潜在的应用获得了越来越多的关注。相对于其他光伏半导体材料而言，卤化物钙钛矿具有丰富的相变，但对于相变的传播，结构，结构和性质的联系，缺陷、应力对相变的影响等的研究还十分缺乏。本项目主要研究成果包括(1)制备出一系列新型钙钛矿结构，包括电荷有序铟基双钙钛矿和高压下的半导体-金属相变研究。我们开发了三维铟基双钙钛矿，是电荷有序结构。我们研究了高压下禁带关闭效应，对应于半导体-金属相变，晶体由透明态转变为非透明态；(2)结构工程设计准二维锡基钙钛矿，深入理解其相变行为。我们通过原位结构手段阐明了有机配体和无机八面体框架的动态耦合可改变其扭曲程度、控制缺陷态密度和相变，是影响光电性能的主要因素之一；(3)掌握了结构相变和光电特性的关系，以及制备出新型功能光伏器件。我们利用稀土掺杂调节全无机钙钛矿的相变行为，并系统研究了稀土掺杂对于富碘型钙钛矿的晶格结构、相变过程、光伏性能的影响。同时，稀土掺杂钝化了表面缺陷，延长了载流子寿命。我们还研究了低维钙钛矿中不同间隔分子以及掺杂离子对相变的作用，调节热致变色温度。本项目研究结果对于深入理解钙钛矿的相变机制、行为调控、以及高效率功能光伏器件具有重要意义。已在Nature Communications, Advanced Science, ACS Photonics, Inorganic Chemistry Frontiers, Journal of Physical Chemistry Letters, Photonics Research, Journal of Materials Chemistry C等刊物上发表高水平论文23篇（均标注受本项目资助，其中2区及以上17篇），培养硕士研究生5名，申请国家发明专利7项，项目负责人入选上海市“曙光”学者、上海市“东方学者”特聘教授、上海市青年科技“启明星”(A类)，新增国家自然科学基金面上项目1项，获教育部自然科学二等奖1项，中电联电力创新二等奖1项，对比计划任务书，圆满完成本课题任务。