维度可调LD-3D异质结钙钛矿材料微结构及太阳电池稳定性研究

In the new type of perovskite (AMX3) structure, the irreversible distortion of the [MX6]4- octahedral framework induced by the negative migration of A-site ions would result in the structural instability of 3-dimensional (3D) perovskites. This project, based on the relationship of material-structure-function, aims to elucidate the formation mechanism of irreversible decomposition of perovskite film and provide the solution to tackle the stability issue of perovskite solar cells. A series of novel low-dimensional (LD) perovskite single crystals will be designed and prepared by means of partial/whole substitution of A-site groups. By further studying the thermodynamics and kinetics of nucleation and crystallization in the LD-3D perovskite heterojunction in terms of the single crystal structure of LD perovskites with tunable dimension (2D, 1D and 0D), we will in-situ prepare LD-3D hybrid perovskite thin films and solar cells. Accordingly, the stability of perovskite thin films is expected to be intrinsically solved by regulating the crystal formation energy and defect formation energy in the heterojunction domain, blocking the negative ion-migration channels and passivating the defect states. Likewise, a series of in-situ, simultaneous, and dynamic characterization techniques based on ultra-fast laser spectroscopy are established. The light, heat and humidity-dependent stability of the LD-3D perovskite solar cells will be systematically studied. Consequently, the stable LD-3D perovskite solar cells with more than 20% power conversion efficiency are obtained.

在新型钙钛矿（AMX3）结构中，A位离子负面迁移诱导的[MX6]4-八面体骨架不可逆畸变是诱导三维（3D）钙钛矿结构不稳定的根源。本项目基于材料-结构-性能的构效关系，围绕钙钛矿薄膜不可逆分解的形成机制和对电池稳定性的影响机制及解决方案展开，设计和培养一系列A位取代基团诱导的新型低维（LD）钙钛矿单晶，从维度可调的LD钙钛矿单晶（2D，1D和0D）微结构入手，通过进一步深入研究LD-3D钙钛矿薄膜异质结区结晶成核和生长的热力学问题和动力学过程，原位制备维度可调LD-3D异质结钙钛矿薄膜及太阳电池。在此基础上，通过调控异质结区晶体形成能和缺陷形成能，封锁离子负面迁移通道，钝化缺陷态等途径从根本上解决钙钛矿薄膜的稳定性问题。同时，建立一系列基于超快激光光谱技术的原位、实时、动态表征技术，通过系统研究电池器件的光、热和湿度稳定性，最终获得转换效率达20%以上且长期稳定的LD-3D钙钛矿太阳电池。

本项目针对新型钙钛矿薄膜不可逆分解的形成机制和对电池稳定性的影响机制及解决方案展开，创新性地设计和培养一系列A位有机取代基团诱导的新型低维（LD）钙钛矿材料，从维度可调的LD（2D，1D和0D）钙钛矿材料晶体学微结构入手，结合第一性原理计算（DFT），通过进一步深入研究LD-3D钙钛矿薄膜异质结区结晶成核和生长的热力学问题和动力学过程，原位制备维度可调LD-3D异质结钙钛矿薄膜及太阳电池。在此基础上，自行搭建原位表征平台，通过原位捕获倒易空间衍射阵列信息来获得钙钛矿材料微结构动态变化过程。深入研究钙钛矿材料的结晶动力学过程，包括在负载、光、热、湿度等综合作用下结构有序-无序相变驱动力、亚稳态和稳态能量位垒以及相分解的微观动力学机制。并通过系统研究电池器件的光、热和湿度稳定性，最终获得转换效率达21%以上且长期稳定的LD-3D钙钛矿太阳电池，并且器件在长期老化之后仍然保持80%以上的转换效率。项目开拓了结构和电子维度杂化的钙钛矿材料体系（LD-3D），高效的电子轨道耦合和畸变修正增强了薄膜的载流子输运特性，实现了能带结构和载流子输运特性的灵活调控，紧密的共轭结构封锁了水氧腐蚀通道，提高了器件长期稳定性，为钙钛矿太阳电池大规模产业化提供了重要的理论和实验依据。.项目实施期间，项目负责人以暨南大学为第一或通讯作者在领域内知名期刊共发表SCI 论文20 篇（1 篇入选“Web of Science”高被引论文，1篇入选“热点论文”），其中包括Adv. Energy. Mater. (2 篇，IF=29.698)、Adv. Funct. Mater. (3 篇，IF=19.924)、Nano Energy （1 篇，IF=19.069）、small（1篇，IF=15.153），所有论文暨南大学均为第一单位或通讯单位；申请专利25 项，目前授权中国发明专利16项，授权中国实用新型专利1项，授权澳大利亚革新技术专利1项；受邀参加领域内国内外学术会议4 余次；培养青年骨干教师2 人（包括博士后1 名），培养项目相关博士研究生3 名（已毕业1 名），硕士研究生12名（已毕业6名），培养本科生3名。项目严格按计划正常执行，所有指标均超出了预期计划，超额完成任务。