分子杂合物材料的结构控制方法与物性研究

To study the structure,energy band and performance designability of molecule assembly materials, organic-inorganic hybrids will be investigated in this project to develop systematic research on the physical mechanism caused by design method,molecule assembly method and performance. Based on the research work in our group,this project will focus on the influence on electrical structre by perovskite component structure variety,the size and status of organic component to find the design principle of organic-inorganic hybrids and design a serie of organic-inorganic hybrids. The physical mechanism will be in-depth studied by structure,chemical state,energy spectrum and properties to guide to produce the corresponding materials and acquire new performance of materials. By mutually verifying theoretical calculations of materials and the experimente, organic and inorganic compenent with different functions will be designed and assemblied in molecule to supply the key advanced material of information technology and enrich the design methods of materials at same time.

针对分子组装材料结构、能带、物性的可设计性，本项目以有机-无机杂合物为对象，对设计方法、分子组装方法、物性产生物理机制开展系统研究，在项目组已有工作基础上，重点开展类钙钛矿结构单元变化、有机组元的大小与状态对有机-无机分子杂合物电子结构的影响，从而形成有机-无机分子杂合物的设计原则，在此基础上设计系列有机-无机分子杂合物，从结构、化学状态、能谱、物性等深入研究产生的物理机理，并用于指导制备相应性能的新材料和获得材料新性能，通过理论和实验研究相互验证，将不同功能有机组元、无机组元在分子层次的设计、组装，提供信息技术需要的关键新材料，同时丰富材料设计方法。

本项目着眼于当前钙钛矿太阳能电池的研究热点，针对有机-无机钙钛矿杂合物材料进行了理论计算、分子设计、薄膜制备以及性能优化，综合研究了影响分子杂合物光电转换性能的多种因素。采用多种低温液相法在制备了高质量且均一的碘铅甲胺光吸收层，巧妙的利用类卤素SCN-对薄膜进行掺杂，使电池的效率由14.42%提高至16.76%；设计并合成了碘化亚锡基杂合物(4-XC6H4C2H4NH3)2SnI4(X=H, F, Cl)，针对性地通过有机元上的卤素取代改变有机元与无机元之间的相互作用，从而改变无机元即钙钛矿层的键长键角，以降低杂合物的带隙。所获得得到三个杂合物相应的带隙大小分别为1.78、1.34、1.32eV；采用原位反应法制备出致密、均一的(C6H5C2H4NH3)2SnxPb1-xI4薄膜，通过调整杂合物中Sn和Pb的比例，实现了该类杂合物薄膜带隙在1.70eV~2.40eV之间连续可调；制作了基于二维层状钙钛矿吸光材料(PEA)2(MA)m-1 PbmI3m+1的异质结钙钛矿太阳电池器件。结果表明， m=3时电池的光电转换性能最佳，这主要是由于(PEA)2(MA)2Pb3I10杂合物薄膜具有最小的带隙、合适的能级结构以及有利于载流子传输的结晶生长取向；TiO2纳米柱的引入可以有效的提高(PEA)2(MA)2Pb3I10太阳能电池的光电转转性能。当TiO2纳米柱长度为600 nm时，所获得的(PEA)2(MA)2Pb3I10钙钛矿太阳能电池的光电转换性能最优，其Voc为859 mV，Jsc为8.3 mA/cm2，ff为52.2%，η为3.72%。