基于钙钛矿杂化材料的忆阻效应及其对光伏电池的影响

Being a novel type of electronic devices, memristors are quite promising for advancing super-high density information storage and building a variety of logic operation units/control circuits. In virtue of their unique advantage that the integration density can over the limit of Moore's law for silicon-based semiconductor devices, memristors have show great application potential in information optoelectronics and related areas. At present, the memristor research is still basically stuck in theoretical modeling and preliminary experimental exploration, yet to be urgently developed in the material system and high performance memristor devices. In this regard, to investigate the formation mechanism of memristor effect, expand the memristor material system and fabricate high performance memristor unite devices have shown important scientific significance and industrial value as well. According to our preliminary research results, the functional materials of hybrid perovskite solar cells, an emerging star photovoltaic technology that currently has attracted numerous attention, have demonstrated significant memristor effect, which is possibly related to the hysteresis phenomenon in I-V characteristics of perovskite solar cells. Here in this project, taking into considerations of memristor effect and photovoltaic effect, a systematic study on the material system and device structure of perovskite solar cells will be conducted, which is intended to offer theoretical and experimental basis for new memristor materials and device designs, thus to further enrich the memristor structures and materials. Meanwhile, by elucidating the formation and functional mechanism of the memristor effect of perovskite solar cell materials, it is expected to improve the memristor-based electrical property, and finally innovate new strategy toward more efficient perovskite solar cells.

忆阻器是一类有望实现超高密度信息存储并构筑各种逻辑运算及控制电路的新型电子器件，其最大优点是其集成密度不受硅基半导体器件所受的摩尔定律的限制，在信息光电子学领域有巨大的应用前景。当前忆阻研究还基本停留在理论建模和初步的实验探索阶段，材料体系和高性能的忆阻器件都亟待发展，因此，探索忆阻效应的形成机理、拓展忆阻材料体系以及构筑高性能忆阻单元器件具有重要的科学意义和产业价值。我们的前期研究结果表明，目前备受关注的钙钛矿太阳能电池的功能材料具有显著的忆阻效应，其可能与广泛观察到的电池I-V特性中的滞后现象等密切相关。本项目拟从忆阻效应和光伏效应两个角度对钙钛矿电池材料体系和器件结构进行系统研究，为新型忆阻器材料及器件设计提供理论及实验依据，丰富忆阻器结构设计和材料体系；同时，通过阐明钙钛矿电池功能材料的忆阻性质形成及作用机理，并基于忆阻性质改善电学性质，为实现更高效的钙钛矿太阳能电池提供崭新思路。

忆阻器是继电阻、电容、电感之后人们发现的第四种基本电学元件，其可通过在“开”与“关”两种状态之间进行切换来存储信息。本团队是国际上首批发现碘甲胺铅钙钛矿材料具有忆阻特性的团队之一，并基于该特性分别制备了平板忆阻器和纤维忆阻器。平板忆阻器的开关电流比最高可达1.9×10^9，为目前所有有机–无机杂化钙钛矿忆阻器的世界最高记录。纤维状碘甲胺铅钙钛矿忆阻器为国际首例，也是目前唯一一例，开关电流比最高为20。基于在使用不同金属电极时器件忆阻效应的变化，本团队在国际上率先提出了活性金属离子迁移形成导电通道的机理推测，并得到了国内外10余个研究团队的认同。基于碘甲胺铅钙钛矿忆阻器的忆阻特性和钙钛矿太阳能电池的I–V滞后现象在活性层材料、器件结构和表现形式上存在的诸多相似性，本团队首次提出碘甲胺铅钙钛矿材料所具有的忆阻特性是钙钛矿太阳能电池的多种I–V特性产生的物理根源。为了进一步提高钙钛矿材料在纤维基底上的成膜质量，本团队先后开发出了溶液浸渍提拉法、电加热辅助的多次涂覆法和气相辅助法等3种钙钛矿材料在纤维基底上的成膜方法，并自行研制了一台可用于纤维基底薄膜涂覆的涂丝设备，制备的纤维钙钛矿太阳能电池的光电转化效率由5.35%、7.50%提升至10.79%，这也是纤维状钙钛矿太阳能电池，乃至整个纤维状太阳能电池领域目前的世界最高纪录。纤维钙钛矿太阳能电池的长度最高可达30 cm，且具有良好的稳定性和耐弯折性，同时也能较好地吸收环境中的散射光，实现对光能更加有效的利用。本项目系统研究了碘甲胺铅钙钛矿忆阻器的材料、结构与机理，系统研究了钙钛矿材料在纤维基底上的成膜方法，并将忆阻器与太阳能电池结合起来，研究了二者之间的内在关系，为我们提供了从有机–无机杂化钙钛矿材料忆阻特性的角度出发优化钙钛矿太阳能电池性能，和从钙钛矿太阳能电池光电特性的角度出发研究有机–无机杂化钙钛矿忆阻器机理的新思路。