有机-无机杂化钙钛矿材料的表面界面结构与电子学性质

Interfaces are the crucial factors that affect the performances of optoelectronic devices. However, information about organic-inorganic hybrid perovskite interfaces is so far very scarce. In this project, we will use the surface analysis techniques including scanning tunneling microscopy and photoelectron spectroscopy to investigate the atomic structures and electronic properties of perovskite surfaces and interfaces prepared by different techniques. The aim is to reveal the relationships between interface structures, electronic properties and device performances, and to understand the microscopic mechanism of charge carrier transport at interfaces of perovskite solar cells. Based on the knowledge about interfaces, we will seek the route to improve perovskite solar cell performance by interface engineering.

界面是影响光电器件性能的关键因素。然而，当前有关有机-无机杂化钙钛矿材料界面结构和电子学性质的信息极为欠缺。本项目将利用扫描隧道显微术和光电子能谱等表面分析技术，系统研究多种方法制备薄膜器件的表面界面结构和电子学性质。在原子尺度上揭示钙钛矿材料表面界面结构、电子学性质与器件性能的内在联系，理解钙钛矿型太阳电池中载流子界面输运的微观机制。在此基础上，探索通过界面调控优化钙钛矿型太阳能电池性能的有效途径。

界面是影响光电器件性能的关键因素。我们研究了钙钛矿在衬底上生长时，界面处的晶体生长情况、元素分布情况，钙钛矿/衬底界面处的能级匹配情况，以及钙钛矿表面的原子结构、表面电子学性质等信息。我们首次利用扫描隧道显微镜对MAPbI3薄膜在Au(111)表面的生长过程和表面结构进行了系统的研究，发现薄膜的结构和化学配比与其覆盖度的关系，并发现两种能发生可逆相变的表面相（Zigzag相和Dimer相）共存于MAPbI3表面。我们还利用光电子能谱技术研究在ZnO等单晶衬底上真空沉积MAPbI3和MAPbI3-xBrx薄膜的界面电子性质，获得了MAPbI3与ZnO界面的能级对齐信息。我们发现，MAPbI3在ZnO表面生长初期形成一层富含PbI2的缓冲层，这一缓冲层形成的势垒不利于钙钛矿太阳能电池中电子的传输。.我们探究了有机-无机钙钛矿材料的界面结构和性质与光伏器件性能的关系。采用漂移-扩散模拟方法，研究载流子迁移率、体相载流子寿命、界面载流子复合速率对钙钛矿电池中J-V迟滞曲线的影响。首先，我们发现强的体相SRH复合使迟滞出现在短路电流点附近；界面载流子复合使迟滞出现在开路电压点附近。另外，载流子迁移率降低会导致载流子导出变慢，进一步加剧以上两者的影响，但不会影响开路电压。其次，我们揭示了多数载流子的界面势垒导致的J-V反迟滞现象：电池施加正（1.2 V）预置电压将会使钙钛矿/电荷传输层界面出现多数载流子势垒，导致电池的暗态电流降低、开路电压降低，并出现具有饱和特征的S形J-V曲线。我们制备了基于AZO透明电极的无电子传输层的钙钛矿太阳能电池，通过界面调控促进电子传输，使短路电流明显提升，最优效率达到13%。.该项目的工作成果使我们对有机-无机钙钛矿材料的表面界面结构与电子学性质以及太阳能电池性能的内在关联等有了更加深入的认识，为接下来的创新研究奠定了坚实基础。