钙钛矿太阳能电池材料的载流子产生机理及其超快动力学研究

Organic-inorganic metal halide perovskite solar cells (PSCs) have recently attracted tremendous attention due to the impressive increase in their efficiencies witnessed in the past few years. The power conversion efficiency of PSCs has leapt from the initial 3.8% in 2009 to 22.1% in 2015. Therefore, perovskite solar cell is considered to be a promising new generation thin film photovoltaics. However, the current worldwide research interest is focused on manipulating the perovskite formulations and device fabrication routines, the fundamental aspects of the photophysics underlying device operation still remain elusive. There are two different carrier photogeneration mechanisms under debate: the photogenerated exciton mechanism and the photogenerated free-carrier mechanism. Since the exciton binding energy is supposed to be very small, it is challenging to observe exciton dissociation by use of traditional time-resolved spectroscopic techniques (time resolution ≥ 100fs). In this project, we propose to use the state of the art sub-10fs transient absorption technique to systematically study the carrier generation mechanism and its dynamics in perovskite materials. Revealing their relevance with the solar cell efficiency will further improve the device performance and offer guidance for designing novel high efficiency photovoltaics.

金属卤化物钙钛矿太阳能电池经过短短几年的发展，其光电转换效率从最初的3.8%已跃迁到22.1%，被认为是未来最具潜力的新一代薄膜太阳能电池。但目前国内外对于钙钛矿材料的研究仍然局限于结构组分的变更、器件制作流程的优化等方面，而对于其更深层的物理机理例如光生载流子的产生机理仍然存在争议。现有的理论解释存在两种机理的争论: 激发激子机理和激发自由电荷(电子和空穴)机理。主要原因是钙钛矿材料的激子束缚能很小，所以普通的时间分辨光谱设备(分辨率≥100fs) 很难观测到激子的分离过程。本项目将利用国际领先的超高时间分辨率亚10fs超快光谱技术对钙钛矿材料的光生载流子的超快动力学过程进行系统的研究，旨在揭示钙钛矿结构的光生载流子产生机理及其弛豫过程，探讨其与钙钛矿太阳能电池效率的相关性，为进一步提高钙钛矿材料的光电转换效率奠定基础，同时为研发新型高效太阳能电池材料提供新思路。

基于有机无机杂化钙钛矿的太阳能电池被认为是未来最具潜力的新一代薄膜太阳能电池，其光电转换效率已经达到25.5%，接近于单晶硅太阳能电池的效率纪录（26.1%）。然而，目前其内部深层的光电转换微观机理仍然比较模糊甚至某些方面存在较大争议。本项目中，我们通过具有亚10fs时间分辨率的超快光谱学技术研究了有机无机钙钛矿太阳能电池材料的超快动力学过程，并取得了一系列研究成果。具体来说，通过温度及激发功率依赖超快光谱学研究了有机无机钙钛矿材料的载流子产生机制，证明了光生载流子产物主要为自由载流子而非束缚电子空穴对（激子）；研究了柔性钙钛矿薄膜在不同应力作用下的载流子动力学过程的变化规律，为理解柔性钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性提供了理论依据；研究了具有单重态分裂效应的有机分子和钙钛矿构成的异质结薄膜中电荷传输的超快动力学过程，首次报导了从束缚三重态对到钙钛矿导带的超快电荷转移过程，为未来利用多激子效应突破钙钛矿太阳能电池的光电转换效率瓶颈提供了新思路；研究了混相准二维钙钛矿材料内部电荷输运机理，证实了其载流子动力学由几百飞秒的热载流子弛豫和几皮秒到几百皮秒的小n相到类三维大n相的能量传递过程主导。这些研究成果对于理解钙钛矿太阳能电池工作的微观机理尤为重要。同时，本国自然青年基金项目也为项目组成员提供了施展才华的舞台，成为我们硕士研究生成长的重要支持，有效的提升了他们自主创新的能力，使他们对于钙钛矿太阳能电池材料的制备、内部光生载流子的超快动力学及其相关应用有了较为深刻的理解。我们在项目执行期内多次参加国内学术会议并做邀请报告来宣传我们的研究成果，引起国内外众多专家的兴趣。本项目的成功实施将为未来设计更稳定、更高效的钙钛矿太阳能电池及相关光电转换器件提供实验基础和设计思路，具有重要的理论意义和工程应用价值。