全无机CsPbX3单晶太阳能电池材料光生载流子输运机理的超快动力学研究

All-inorganic Cesium Lead Halide Perovskites cell materials （CsPbX3） have become a new hot spot of solar cell materials because of their stable physical and chemical properties. Scientists have done a lot of research in the device design and development of new perovskite materials, but the key physical processes is far from clear, especially the key factors that affect the photoelectric conversion efficiency: photoinduced carrier separation, transport and recombination process. Ultrafast dynamics study will provide complete information of the transient behavior of the carriers, providing experimental guarantee for revealing the transfer mechanism. The project intends to use femtosecond/nanosecond time resolved visible to infrared transient absorption spectroscopy, using two-way purple to infrared, pump-probe method to study the photogenerated carrier separation, transport and recombination process of all-inorganic CsPbX3 perovskite cell materials. Through regulating the structure, morphology, substrate materials, and environmental factors to control photoinduced carrier dynamics, to reveal the key factors that affect the production, separation, transmission and recombination of the photoinduced carriers, and then clarify the physical mechanism. we hope our study can provide the experimental basis for the optimization and design of new solar cells.

全无机CsPbX3钙钛矿电池材料因其稳定的物理化学性质成为太阳能电池材料研究的新热点。目前科学家在新钙钛矿材料的器件设计与开发做了大量研究，但对其关键的物理过程却远远没有研究清楚，特别是影响光电转换效率的关键因素：光生载流子的分离、传输和复合过程。超快动力学研究将提供光生载流子瞬态行为的完整信息，为揭示其输运机理提供实验保证。本项目拟采用飞秒/纳秒时间分辨可见至红外瞬态吸收光谱方法，利用双向紫外到红外、泵浦-探测的方式，研究全无机CsPbX3钙钛矿电池材料光生载流子的分离、传输和复合过程，通过调控样品结构、形貌、衬底材料及环境因素等条件来调控光生载流子的动力学过程,详尽揭示影响其光生载流子形成、分离、传输和复合的关键因素及物理机制，为新型太阳能电池的优化和设计提供动力学实验依据。

基于金属氧化物半导体或碳纳米管的背靠背Schottky结（MSM）探测器已经得到了广泛地实现和研究，其具有优异的光响应以及更高的响应速度，并且无需p-i-n结构探测器复杂的薄膜工艺。然而，已报道的钙钛矿Schottky结光探测器的阈值电压均为2V左右，Schottky结的势垒高度为0.3 V，远低于Schottky-Mott模型的定义值。我们通过CVD方法成功在ITO叉指电极上生长出高质量的CsPbBr3微米晶薄膜。生长出来的CsPbBr3微米晶具有高的结晶质量、晶界少、块体大的特点。CsPbBr3微米晶与ITO叉指间形成了优异的Schottky接触，势垒高度达到0.75 eV，具有9 V的阈值电压，优于之前关于CsPbBr3报道的结果。背靠背Schottky结的引入能有效降低光探测器的暗电流，并且无需复杂的工艺过程就能实现。器件表现出良好的光探测性能：明暗电流比为104、响应度3.9 A/W（15 V偏压）、探测度达到3.8×1012 Jones、较快的响应速度（上升时间：0.22 ms，下降时间：0.45 ms）以及工作电压范围大。工作不仅实现了CsPbBr3与电极之间的高质量的Schottky结，而且为高性能、稳定性强的钙钛矿器件的应用提供了一个可行的解决办法。.与单相CsPbBr3材料相比，由CsPb2Br5/CsPbBr3纳米晶体制成的PeLED（钙钛矿发光二极管）具有更好的工作稳定性、更高的EQE和更长的工作寿命。基于CsPb2Br5/CsPbBr3的太阳能电池也可实现极好的长期稳定性。然而，由于缺乏可靠的实验证据，CsPb2Br5基材料的发光机制仍然存在争议。而对这种机制的诠释是CsPb2Br5材料器件实际应用的关键因素。TRTS验证了界面态声子散射辅助跳跃，其中CsPbBr3的存在被确定为在CsPb2Br5中引入热载流子转移的有效方式。复合晶体中的电子转移过程主要是系统间交叉跳跃；因此，复合晶体中的CsPb2Br5和CsPbBr3相互作用广泛。同时，复合晶体中的俄歇复合率和与缺陷相关的非辐射过程被抑制，从而增强了复合晶体的荧光。这些结果消除了CsPb2Br5材料有争议且不清楚的发光机制，并展示了设计和增强材料荧光的途径。