甲脒基铅卤钙钛矿薄膜结晶动力学过程的原位实时研究

Recently, the organic-inorganic hybrid perovskite material has drawn much attention as a new and promising candidate for the field of optoelectronics. With the ongoing efforts to improve the PSCs device performance, there is increasing attention paid to the mechanism behind the dynamic formation process of the perovskite species. This project combines the advantages of synchrotron-based grazing-incidence X-ray diffraction (GI-XRD) technique with microscopic and spectroscopic techniques, aiming at the in situ real time characterization of the crystallization process of formamidinium lead iodide (FAPbI3) perovskite, by tracing the variation in the crystalline species, the grain size/boundaries and the grain orientations. Also, the quality of the perovskite films would be optimized by introducing various ions in the system or applying different solvent atmospheres. The results attained from this project will reveal the relationship between the structure and performance of the perovskite material and pave a new way to fabricate high-performance, low-costsolar cell devices.

有机无机杂化钙钛矿材料表现出的新奇物理现象及优异的光伏特性是太阳能电池领域的研究热点，而如何全面了解钙钛矿结晶动力学过程和机理，是人们理解这些优异性能、制备出更高品质钙钛矿薄膜的关键和追求目标。本项目利用同步辐射掠入射X射线衍射技术，结合光谱学手段、电镜手段，原位实时研究基于碘化铅甲脒（FAPbI3）钙钛矿材料薄膜的结晶成膜过程。通过对薄膜结晶过程的实时物相变化分析、薄膜形成过程分子/介观尺度结构形貌变化监测、钙钛矿晶粒的形貌及取向性变化追踪，多维度、多层次的揭示钙钛矿结晶过程全息信息。同时，通过在体系中定量引入不同离子或不同溶剂蒸汽环境，成体系、大样本的探究钙钛矿结晶条件对薄膜品质的影响，从而优化钙钛矿制膜工艺。该项目将揭示钙钛矿微观结构形貌与薄膜宏观光电特性的内在关系，为制备出更高品质钙钛矿薄膜及高效率器件提供实验基础与理论指导。

当前，新型有机无机杂化钙钛矿材料倍受诸多学科关注。基于此种材料制备的钙钛矿太阳能电池，短时间内光电转换效率已经达到25.7%，对传统晶硅光伏电池形成了有力的挑战。尽管钙钛矿太阳能电池在效率和性能方面短期内有了突破性进展，但是其仍然面临着器件稳定性差，对环境特别是湿度敏感，薄膜质量难以控制，以及大面积工业化生产难度高等一系列问题。同步辐射X射线技术在材料的多维度空间结构和电子能态结构表征方面有独特的优势，将其应用于钙钛矿太阳能电池的研究中，有助于深入理解钙钛矿材料的本征特性和电池器件运作的内在机理 。在这项研究中，我们依托上海同步辐射光源这一大科学装置平台，同时结合光谱学和电子显微等常规表征手段，围绕连续层沉积法制备的甲脒基钙钛矿太阳能电池在效率和稳定性方面所面临的关键性科学问题，通过全面研究多种类钙钛矿材料的结晶动力学过程，提炼钙钛矿材料结构特征与光电性能的构效关系，进而有针对性地对钙钛矿薄膜的品质进行多方面优化，原位研究光电转换过程和其内在物理机理，为制备高效、稳定的钙钛矿太阳能电池提供坚实有效的理论基础和实践指导。在方法学层面，该项目建立了完善的针对钙钛矿材料的同步辐射X射线表征手段，综合运用包括同步辐射X射线略入射衍射和同步辐射X射线小角衍射等技术手段，针对多类钙钛矿材料进行了系统性晶体学表征，实现建立了时间上秒级分辨和空间上埃米级分辨的多维度先进测试方法。在器件制备方面，在同步辐射表征的助力下，项目组制备的三维和二维钙钛矿太阳能电池光电转换效率已分别达到22%和17%以上，同时达到了多个细分领域的器件最高效率。项目取得一系列创新性成果，项目的顺利完成为钙钛矿太阳能电池领域的进一步发展提供了理论基础和实践指导。