新型钙钛矿太阳能电池电荷输运机理的非绝热动力学研究

Organic-inorganic halide perovskites are novel photovoltaic materials that possess promising prospects in the area of clean energy application, due to its high power conversion efficiency and cheap price. With a wealth of diversity time-resolved experimental data on the carrier transfer dynamics available in these materials, fundamental mechanisms responsible for photo-induced carrier separation, transport and recombination, particularly involving defects, dopants and adsorbed molecules, are only partially established and remain controversial. Therefore, the photo-excited charge transport and energy relaxation dynamics in perovskite solar cells will be systematically investigated by time-domain density functional theory combined with nonadiabatic molecular simulations in real time, at the atomistic level and in direct connection with experiment, with emphasis on the influence of dopants, defects, and molecules on the electronic property and carrier dynamics dependence of perovskite dimensionality for exploring mechanisms serving to charge dynamics modulation. The proposed simulation studies will provide critical knowledge for the charge transfer dynamics in perovskites and result in a predictive framework for designing novel, efficient and cost-saving perovskite solar cells.

含卤素的新型有机-无机杂化钙钛矿材料是近年来发现的一种高效的、廉价的光电材料，在清洁能源领域有重要的应用前景。超快光谱实验揭示了钙钛矿材料光诱导载流子的分离、迁移和复合呈现多种不同的时间尺度，但对于几何结构、尤其是缺陷、杂质、吸附分子和光谱之间的认识还非常有限。因此，本项目拟借助含时密度泛函理论结合非绝热动力学模拟，在原子尺度实时地、系统地研究分析钙钛矿材料光诱导的载流子输运和能量弛豫动力学，重点探索杂质、缺陷、吸附分子对不同维度钙钛矿材料电子性质和电荷产生、分离、迁移、复合的影响和作用、阐明它们对载流子动力学的调控机理和作用规律。本项目的研究，可以丰富人们对钙钛矿材料电荷输运性质的理解和认识，为新型、有效、廉价的钙钛矿太阳能电池的设计提供理论依据。

理解载流子动力学对有机卤化物钙钛矿太阳能电池的发展十分必要。电子-空穴复合作为一个极为重要的过程，是能量和电流损失的主要途径。从头算实时密度泛函理论结合非绝热分子动力学使我们能够在原子水平上模拟时间分辨的激光光谱实验，强调材料的真实情况，如缺陷、掺杂、边界、湿度、化学键等。我们确立了影响钙钛矿中电子-空穴复合的关键因素，包括：掺杂是如何调控电子-空穴复合的；晶界是如何加快复合而Cl的掺杂是如何降低复合速率的；如何用局域电荷和自由电荷载流子的相互作用解释CH3NH3PbBr3中的热荧光现象；湿度与Lewis碱钝化如何影响电子-空穴复合；I填隙缺陷的氧化态以及氧钝化是如何影响电荷捕获与复合的；光诱导的空穴局域态如何延迟电荷复合；如何通过卤素的成分调控能量的损失；在多层二维钙钛矿中量子退相干是如何影响电子-空穴复合的；在层状钙钛矿中边缘态是如何驱动激子解离并延迟电子-空穴复合的；以及化学键是如何影响电子从CH3NH3PbI3到TiO2的注入过程的。预测的电荷/能量转移和弛豫过程变化归因于电荷局域化、捕获、弹性和非弹性的电-声相互作用以及热无序等因素复杂的相互作用。这些动力学研究得出的详细结论可为设计光伏应用的最佳钙钛矿材料提供进一步的技术指导。