钙钛矿多晶薄膜的晶界迁移活化过程调控与机制研究

The grain boundaries (GB) of organometal halide perovskite serve as recombination centers, which limits the efficiency improvement of perovskite solar cells (PVSC). The solvent vapor could react with perovskite at the GB, which boosts the GB migration speed and reduces its amount. However, present GB reaction could be hardly controlled and form by-products, which seriously refrains its effect on the grain coarsening. To tackle this problem, we plan to design GB reactions without by-products by using amine halides vapor reacting with perovskite. The amine ion sizes and functional groups will be changed to tune the reaction activity, which subsequently control the GB migration speed and reduce the GB amount. In this project, we plan to study: (1) the influence of ion structure and electronegativity to GB reaction speed and products, and unveil the principles of reaction between amine halides vapor and perovskite; (2) the influence of reactants and condition of GB reaction to GB migration activation, and find out the rules to control GB migration; (3) the influence of GB reaction and migration to the amount and species of defect states inside perovskite, and uncover the relationship between GB reaction/migration and defect states. This project aims to bring out strategies to reduce GB amount and fabricate high efficiency solar cells.

钙钛矿薄膜中晶界的存在容易引起载流子复合，阻碍了钙钛矿太阳能电池性能的进一步提高。利用溶剂蒸汽处理可以在钙钛矿晶界处诱导反应，促进晶界迁移从而降低晶界数量。但目前的晶界反应速率难以调控且有副产物生成，极大限制了其作用效果。为此，本项目拟使用卤化胺蒸汽与钙钛矿设计无副产物的晶界反应，通过改变胺离子尺寸和官能团种类调控晶界反应速率，实现晶界的可控迁移和减少晶界数量。拟研究（1）晶界反应中离子结构、电负性等因素对于反应速率和产物的影响规律，揭示卤化胺蒸汽与钙钛矿薄膜的反应机理；（2）晶界反应中反应物种类和反应条件对于晶界迁移活化过程的作用规律，获得迁移速率的可控机制；（3）晶界迁移和反应类型对钙钛矿中缺陷态种类和数量的影响，确立晶界反应特性与晶体缺陷的关联性。为减少钙钛矿薄膜中晶界数量和制备高性能太阳能电池提供理论和技术指导。

本项目旨在利用气-固反应活化钙钛矿晶界迁移过程，减少多晶钙钛矿薄膜晶界缺陷数量，以提升钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。具体地，拟开展设计新型钙钛矿晶界反应；研究晶界反应类型对迁移速率的作用规律，发展相应理论；探索钙钛矿薄膜内部缺陷随晶界迁移/晶界反应的变化规律，优化电池性能这些方面的研究。.项目首先按计划设计了基于铵盐蒸汽与卤化钙钛矿的晶界反应，并研究了铵盐蒸汽与卤化钙钛矿反应促进卤化钙钛矿多晶薄膜晶粒快速生长的作用规律，进一步地，探索了钙钛矿薄膜内部缺陷随反应的变化规律。研究团队发现多种铵盐蒸汽均能够促进卤化钙钛矿多晶薄膜的晶界迁移，并且均能够降低卤化钙钛矿膜的缺陷密度，提高薄膜质量与太阳能电池的性能。进一步地，研究团队还发现铵盐蒸汽与卤化钙钛矿反应还能够修复埋地界面的缺陷，通过抑制界面的复合和抑制界面钙钛矿的降解，从另一方面提高太阳能电池的稳定性与效率。.通过本项目的研究，研究团队在高水平国际期刊上发表 SCI 论文 8 篇，其中第一致谢6篇，第二致谢2篇；申请专利2 项；参加国际学术会议1 次，参加国内学术会议1次，均为口头报告；培养博士研究生2 名。.本项目的主要研究产出包括以下几个方面：（a）铵盐蒸汽与卤化钙钛矿的反应机制与太阳能电池性能优化；（b）通过中间相化合物调控卤化钙钛矿的结晶过程；（c）卤化钙钛矿厚膜的可控制备。.在项目研究期间，项目负责人与国内外的研究团队开展了广泛的合作交流，包括日本九州工业大学的Tingli Ma教授、中山大学陈军教授、澳门大学邢贵川教授和香港城市大学朱宗龙教授。.综上所述，本项目按计划完成了原定的研究内容与目标。