基于同步辐射掠入射 X 射线衍射的钙钛矿太阳能电池退化机理研究

Perovskite solar cells attract much attention all over the world due to their ultra-high power conversion efficiency. However, the poor stability prevents their further application. The synchrotron based grazing incident X-ray diffraction (GIXRD) method will be employed in this project, to in-situ study of the surface and interfacial crystal structure of perovskite films in different conditions. The designed in-situ solid-gas reaction device will assist the in-situ GIXRD study, so that the degradation mechanism of perovskite solar cell can be explored. Based on our previous work on preparation of CH3NH3PbI3 nanocrystals, high quality CH3NH3PbI3 nanocrystals film will be fabricated on the mesoporous titanium dioxide (TiO2) layer, assisted by characterization of their crystal structures. Through in-situ GIXRD study of perovskite in the water and oxygen atmosphere with out-of-plane and in-plane mode, the change of surface lattice constants in different direction will be obtained. Furthermore, the depth dependent GIXRD analysis can be achieved by changing of X-ray incident angle, while the phase change and lattice distortion will be in-situ investigated at TiO2/CH3NH3PbI3 interface during the temperature changes. Combining with the density of state study by the first principle calculation, the rule among surface and interfacial crystal structure of perovskite, their density of state and photovoltaic performance will be constructed. The conducted project is significant to the development of stable and efficient perovskite solar cells.

近年来钙钛矿太阳能电池以其超高效率成了全世界的研究热点，但稳定性差成为其应用的瓶颈。本项目拟使用同步辐射掠入射 X 射线衍射(GIXRD)方法，通过设计原位固-气反应装置，实现对不同环境中钙钛矿薄膜表面和界面晶体结构的原位研究，阐明钙钛矿太阳能电池的退化机理。在前期合成甲胺铅碘钙钛矿(CH3NH3PbI3)的基础上，进一步以晶体结构表征为指导，在二氧化钛(TiO2)薄膜上制备高质量的CH3NH3PbI3薄膜。通过对钙钛矿在水氧气氛中的面外和面内GIXRD原位研究，获得其表面不同方向的晶格常数变化。进而改变X射线入射角来调控其分析深度，在温度变化的过程中原位研究钙钛矿在TiO2/CH3NH3PbI3界面的相变和晶格畸变，并结合第一性原理方法计算钙钛矿的态密度，探索钙钛矿薄膜表面和界面晶体结构变化对态密度和光伏性能的影响规律。本项目的开展，对于制备稳定和高效率的钙钛矿太阳能电池具有重要意义。

在基金项目的支持下，对铅卤钙钛矿薄膜在不同气氛的原位条件下进行表界面的晶体结构研究，探索钙钛矿晶体结构与态密度和电池性能的关系，取得了较为丰富的研究成果。目前，该项目自主设计原位固-气反应装置用于不同气氛中研究钙钛矿薄膜的晶体结构变化，此外，实验中还自主搭建了一套基于软X射线的荧光吸收谱测试装置获得钙钛矿的态密度结构，从而建立起晶体结构，态密度和电池性能研究的实验平台。在不同气氛中铅卤钙钛矿退化机理的研究方面，该项目证实了在一定量的水汽中钙钛矿会在(110)晶面附近出现多相结构，也证实了H是导致CH3NH3PbI3分解的主因。在TiO2/钙钛矿表面和界面晶体结构的研究方面，发现CH3NH3PbI3表面和界面都呈现均匀的环状结构，证实了钙钛矿薄膜的四方相多晶结构。为研究界面的作用并提升稳定性，实验将钙钛矿制备在不同半导体薄膜衬底上，如TiO2,ZnO,CdS,ZnSe，获得了界面行为对晶体尺寸和器件性能的影响规律。在钙钛矿的态密度研究方面，结合荧光吸收谱，全电子产额谱和第一性原理计算，成功获得TiO2/钙钛矿表面和界面Ti,C,N,O元素的态密度分布，确定了-OH，H3O+ group等对态密度，晶体结构和电池性能的影响，掌握了器件性能的变化规律。此外，实验在钙钛矿中引入掺杂TiO2纳米管，增加了钙钛矿中碳元素sigma键数量，提升了钙钛矿自身和电池器件的稳定性。目前在项目的支持下，负责人研究以及参与指导发表相关SCI论文4篇，核心期刊论文1篇，会议论文1篇，在投SCI论文2篇，专利1项。项目培养实习研究员2名，硕士研究生1名，本科实习生1名。取得较为丰硕的研究成果。希望能有更多更好的成果在未来出现。