钙钛矿太阳能电池的结构与性能的同步辐射研究

Recently, a novel type of organic-inorganic hybrid perovskite based solar cells has drawn much attention due to their high power conversion efficiency (PCE), facile fabrication procedures and relatively cheap material prices. Although perovskite solar cells (PSCs) have achieved major breakthroughs in both device PCEs and material properties in a very short period, they still face challenges from device instability, environmental sensitivity especially humidity, film quality variation and large-scale production issues. Synchrotron-based X-ray techniques are viable tools for characterizing material structures and electronic properties, therefore applying them in PSC studies should help understand the intrinsic properties of perovskite materials and the underlying working mechanism of PSCs. In this project, we will carry out PSC researches to address the major challenges in PSCs based on Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF), along with routine characterization methods, such as spectroscopic and electron microscopic techniques. We will try to delineate the growth mechanism of perovskite films, precisely analyze the structure, functionality and stability of perovskite films, and in-situ investigate the optoelectronic mechanism of PSCs. Our studies should provide solid theoretical background and point to the useful direction for designing and fabricating high-performance PSC devices.

最近，一种基于有机无机复合体的钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率高、制备工艺简单，而且材质价格相对低廉，成为光伏研究领域的热点。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真特性和电池器件运作的内在机理。在这项研究中，我们将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，围绕钙钛矿太阳能电池当前面临的重大科学问题，全面阐释钙钛矿薄膜的成膜机制，精准分析薄膜的结构、性能和稳定性，原位研究光电转换过程和其内在物理机理，为制备高性能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。

当前，新型有机无机杂化钙钛矿材料，因其优异的光电性能，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，经过短短十年的发展，光电转换效率已经达到25.2%，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，我们将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，针对甲胺基三维钙钛矿、甲脒基三维钙钛矿及多类低维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，同时建立了大科学装置平台助力前沿领域研究的创新思路。