研究多层薄膜光电转换体系的AFM新方法

Solid-solid interfaces exist in a variety of energy conversion devices and influence the performance of the devices significantly. However, there is a lack of methods to investigate the structures and properties of the solid-solid interfaces, which have limited understanding of the basic processes of the interfaces. This proposal attempts to establish a novel AFM method that can dynamically construct and investigate solid-solid interfaces so that the functions of AFM is extended from being a surface analysis tool to be an active participant of solid-solid system for study of solid-solid interfaces. Employing the solid-solid interface AFM to established, investigations on the mechanism and stability of as well as the materials for thin film light conversion systems, such as lead-based organic-metal hybrid perovskite type of solar cell, will be carried out by constructing solid-solid systems of well-defined materials and interfaces. The key factors that influence the charge separation, transfer and collection inside materials and at the interfaces will be investigated. Furthermore, the solid-solid interface AFM is to be combined with spectroscopic techniques to elucidate structure and property relationships of solid-solid systems. The investigations to be carried out within the framework of this proposal are expected to be highly significant on the development of methodology for characterization of solid-solid interfaces and thus elucidate some basic issues in the thin film light conversion systems.

固-固界面广泛存在于众多的能源器件中并对器件性能产生重要影响。然而，目前研究固-固界面结构和性质的方法匮乏，影响了对界面过程基本问题的理解。本项目提出和建立一种动态构建和研究固-固系统的原子力显微镜（AFM）新方法，将AFM从表面分析技术拓展为具有固-固界面研究能力的表征方法。 运用所建立的固-固界面AFM新方法，针对薄层光电转换体系（如铅基有机-金属杂化钙钛矿型太阳能电池）的机理、稳定性和材料拓展等基本问题，通过构建材料和界面构型确定的固-固系统，研究影响材料内部和界面的电荷分离、传输和收集过程的关键因素，并建立材料与界面筛选的简便方法。 进一步尝试固-固界面AFM与光谱的联用，研究界面的结构与性能的关系。本项目研究工作对于发展固-固界面方法学并揭示薄膜光电转换体系一些基本问题有着重要的实际意义。

本项目发展了AFM用于太阳能电池界面和电池的方法学，研究固-固界面相互作用、晶界效应和钙钛矿过量组份的影响规律；探索了新一代高效、稳定的钙钛矿单晶制备，钙钛矿有机-无机相互作用及钙钛矿-电子传输层界面对滞后效应的影响。 1、 建立AFM探针辅助及电位调制策略研究钙钛矿电池的方法学 （1）对偏压或光强加以调制，提高光电流响应的灵敏性以及延迟性。 研究表明， MAPbI3电流较小的晶界处相位变化更为明显，即I-V迟滞更为严重，是影响电池性能的不利因素。（2） 通过AFM探针修饰，原位构建 AFM Au-分子修饰层/钙钛矿/TiO2/FTO 微区钙钛矿太阳能电池，苯基共轭小分子修饰层不仅起到空穴传输的作用而且有效地抑制界面处载流子的复合，显著提升钙钛矿微区电池的填充因子和开路电压，有望发展为快速筛选和发现空穴传输分子的方法。2、钙钛矿过量组份与晶界效应研究. 以(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15为基础组成，运用导电AFM 和KPFM研究了PbI2、CsI、FAI、MAI和无过量组份下的钙钛矿层的晶界效应，晶界电流强弱与过量组份有关，可呈现出截然不同的偏压极性依赖性和晶界和晶面电流此消彼长的现象，后者可能是导致电池PCE降低的原因之一。 研究工作将为发展具有极致器件效率的钙钛矿结构和取向提供依据。3.钙钛矿-电子传输层界面对滞后效应的影响研究. 运用交流阻抗谱研究钙钛矿与TiO2电子传输层界面的电阻和电容。与旋涂法相比，用ALD方法可以获得超薄且均一的致密层，具有较小的界面电容和大的复合电阻，因而能有效的减少界面电荷积累，展现出很小的滞后效应。拉曼光谱研究揭示–NH3+的受限C3转动与电池的I–V迟滞效应无关，钙钛矿内部的N+–H…X氢键相互作用越强越有利于材料稳定性改善。 4、二元、三元混合阳离子、混合卤素钙钛矿单晶的制备和相稳定性研究. 制备(FAPbI3)1−x(MAPbBr3)x 和(FAPbI3)1-x-y(MAPbBr3)y(CsPbBr3)x 二元、三元混合阳离子、混合卤素钙钛矿单晶，用以研究铯离子和溴离子对钙钛矿长期稳定性的影响，获得并高度稳定瞬态荧光寿命长达16 微秒的新钙钛矿组分：(FAPbI3)0.9(CsPbBr3)0.05(MAPbBr3)0.05，有望成为新一代高效率且长期稳定的钙钛矿太阳能电池新组分。