实时原位观测金属卤化物钙钛矿中晶界对离子移动与稳定性的影响

This research is aimed to explore metal halide perovskite materials, in order to realize high efficient and stable perovskite optoelectronic devices. In current state-of-art perovskite devices, the role of grain boundary in perovskite with different composition and perovskite with different grain size has rarely been investigated to improve the device efficiency and stability. In order to address the above issue, this project will employ photoluminescence imaging microscopy and grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) under the external electric/optical field to in-situ investigate the influence of (1) grain boundary in different perovskite films on ion migration and structure/device performance stability, (2) different grain size and grain boundary on ion migration and crystal structure/device stability. In this aspect, this project aims to gain a fundamental understanding of (1) the detailed ion migration process in perovskite films and (2) the interaction between grain boundary and moving ions. Furthermore, this project is expected to provide insight of the high efficient and stable perovskite optoelectronic devices.

本项目面向高效稳定的金属卤化物钙钛矿光电功能材料，围绕“不同成分，不同晶粒尺寸钙钛矿薄膜材料中晶界对于离子移动和材料稳定性的影响”这一关键科学问题，以“实时原位荧光成像显微镜和实时原位掠入射广角X射线散射测量”为主要研究方法，深入研究钙钛矿薄膜材料中离子移动的物理机制及其对材料晶格结构的影响，改善制备工艺，提高材料和器件稳定性。本项目拟从材料研究体系和实验表征方法的创新性出发，利用荧光成像显微镜和掠入射广角X射线散射，在外加电场/光场情况下，进行实时原位观测（1）不同成分钙钛矿薄膜中晶界（2）不同晶粒尺寸的钙钛矿及其晶界，对离子移动以及材料结构稳定性的影响。深入理解（1）钙钛矿材料中离子移动的物理过程以及（2）移动离子和晶界的相互作用。力争在兼具高效率和高稳定性的钙钛矿光电功能器件上取得突破，并促进我国在这一领域的发展。

金属卤化物钙钛矿光电功能材料在过去数年中发展迅速，在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域具有广泛的应用。然而器件在外加电场、环境湿度等条件下的稳定性仍然存在较大的问题，限制了其大规模商业应用。本项目的研究内容主要集中于探索不同成分、不同晶粒尺寸的钙钛矿薄膜材料中晶界对于缺陷离子移动和材料稳定性的影响。本项目利用溶剂蒸汽退火、化学掺杂、维度调控等方法对于钙钛矿薄膜进行调节，实现晶粒尺寸和形貌的调控，抑制了离子的迁移，实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池和发光二极管。本项目中实现了高效稳定的钙钛矿发光二极管达到了32,675小时的寿命；申请人利用氨基酸分子对钙钛矿功能层进行钝化，器件在大气环境中经过528小时后仍然维持80%以上的光电转换效率。本项目利用荧光成像显微镜和掠入射广角X射线散射等一系列光电表征手段，阐述了影响器件稳定性的主要因素，为大规模商业化应用钙钛矿光电器件奠定了基础。