低维MAPbI3纳米材料在高压下结构相变和光电性能研究

CH3NH3PbI3 is a phenomenal light-absorbing material in solar cells, and their high pressure studies have attracted considerable interest because of the enhanced light absorption and prolonged carrier diffusion distance under pressure. However, CH3NH3PbI3 transforms from the tetragonal to cubic phase, with wider band-gap and shorter carrier diffusion distance, at relation low pressure region, which significantly decreased the photo-electricity properties. How to increase the phase transition pressure and change the phase transition sequence of CH3NH3PbI3 has been an important subject. Ii is reported that size and morphology are important parameters for tuning the phase transition pressures and transition sequence of low dimensional nanomaterials. Thus, in this context, we will investigate the effect of size and morphology on the phase transition pressure, transition sequence, light absorption and carrier diffusion of low dimensional CH3NH3PbI3 nanomaterials by using the high pressure infrared, UV-Vis absorption spectrum and X-ray diffraction measurements, discover the phase transition mechanism and find the possible new structures in combination with theoretical calculation. These results will offer references for increasing structural phase transition pressure and enhancing the photo-electricity properties, and pave a new way for enhancing the power conversion efficiency of organic-inorganic perovskite based solar cells.

作为优异的太阳能电池吸光材料，CH3NH3PbI3在压力下吸光能力增强且载流子扩散距离增大，使其高压研究备受瞩目。然而, CH3NH3PbI3在较低压力下就由四方相转变为带隙大、载流子扩散距离短的正交相，光电性能显著变差。寻找提高CH3NH3PbI3相变压力和改变其相变序列的途径成为了一个重要课题。人们发现通过调控尺寸和形貌，可以提高低维纳米材料的相变压力和改变其相变序列，因此，本项目拟利用红外、紫外-可见吸收光谱和同步辐射X射线衍射等技术，高压原位研究尺寸和形貌对低维CH3NH3PbI3纳米材料的相变压力、相变序列、吸光强度及载流子扩散距离的影响，结合理论计算揭示其物理机制；并在此基础上寻找具有优异光电特性的CH3NH3PbI3新结构。本研究将为提高有机-无机杂化钙钛矿的相变压力、增强其光电性能提供科学依据，为提高有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的能量转化效率开辟新思路。

近年来，CH3NH3PbI3作为优异的光电光材料引起了广泛关注，但是带隙大导致的光响应范围窄是该材料面临的一个重要问题。加压可以有效减小带隙且增大载流子扩散距离，使其高压研究备受瞩目。然而, CH3NH3PbI3在较低压力下由四方相转变为带隙大、载流子扩散距离短的正交相，寻找提高CH3NH3PbI3的相变压力和增强其光电性能的方法成为了一个重要课题。本项目制备了不同尺寸和不同形貌的MAPbI3 纳米块、纳米棒、MAPbI3 纳米片、MAPbI3 纳米三角，研究了尺寸和形貌对MAPbI3 纳米材料的相变压力、带隙、寿命等光电性能的调控；此外，我们结合国内外的研究动态和热点，为克服三维钙钛矿材料MAPbI3的稳定性差、有毒的问题，设计并制备新型准二维钙钛矿光电材料，并研究了该材料在新型光电器件中的应用。研究发现，增大材料的尺寸和长宽比，有利于获得更小的带隙、更长的载流子寿命和荧光强度的MAPbI3纳米材料；其中， MAPbI3纳米棒的带隙为1.36 eV，载流子寿命为7.81ìs，在应用到光电探测器后，获得最佳的开关比、响应度和检测率等光电性能。在高压研究中发现，减小尺寸，可以有效提高结构转变压力；而二维的纳米片与其它形貌纳米材料相比，相变压力最高，带隙减少最多，同时寿命也增长最多。在准二维(BA)2MA2Pb2I7的研究中，通过掺杂Yb3+，Er3+，有效降低了其内部的缺陷发光，在应用到光电探测器后，检测率高达1013 Jones，响应率为555 mA/W， 开/关比为104。检测率和响应率分别比纯钙钛矿高出10倍与3倍。在设计与制备的BA2FAn-1SnnI3n+1 (n=1,2)的研究中，使用Sn2+替代了Pb2+, 有效解决了Pb2+毒性的问题，在制备过程中加入Sn粉和SnF2作为还原剂，有效提高了薄膜的稳定性，使其在空气中稳定2到3个小时，在应用到光电探测器后，器件的暗电流为2.1×10−9 A (n=1) 和 2.6×10−9 A (n=2)，开关比为458 (n=1) 和 1108 (n=2)，探测率为1.46×1013 Jones (n=1) 和 6.23×1012 Jones (n=2)，获得了当时最优异的锡基钙钛矿光电探测性能。通过本项目的研究，寻找到了提高有机无机杂化钙钛矿光电性能的新途径，为获得性能稳定、优异的光电器件提供了新思路。