界面修饰对二维钙钛矿生长取向的影响及其在太阳能电池中的特性研究

In commonly used three-dimensional (3D) perovskite materials, the small-sized A part organic cation are easily affected by the atmosphere, resulting in the decomposition of perovskite, and causing tremendous stability problem for solar cell device. Introducing the large-sized water-resistant organic cation into 3D perovskite to generate two-dimensional (2D) perovskite could improve the stability of material and device. However, the presence of large size cation layer impedes the transport and dissociation of charge carriers resulting in lower device efficiency. The adjustment of 2D perovskite crystal orientation to achieve a vertical growing layered structure is one solution to this problem. However, in recent study, the most commonly used hot-casting method always leads to the rapid nucleation and the formation of small size discontinuous crystals, which still do harm to the carrier transfer. In order to get highly oriented and continuous 2D perovskite crystal under moderate conditions, the applicant proposes introducing the interface modification into 2D perovskite film growth to control its growth behavior. The following issues will be addressed. (1) The influence of interface modification on crystal growth and orientation to reveal the crystal growth mechanism. (2) The influence of crystal orientation on interfacial carrier dissociation based on the interface modification. (3) The relationship between 2D perovskite crystal orientation and charge carrier transfer behavior. These researches will offer method strategy and theoretical knowledge to improve the efficiency of 2D perovskite solar cell.

普通三维有机-无机杂化钙钛矿中的小有机阳离子易受到外界环境影响而导致钙钛矿分解，限制了太阳能电池的稳定性。在三维钙钛矿中引入具有防水特性大有机离子形成二维钙钛矿可有效提高材料和器件稳定性，但大有机离子层的存在抑制了载流子传输和分离，限制了电池效率。调整二维钙钛矿晶体取向使大有机离子层垂直于基材可解决以上问题，但普遍采用的高温基材热旋涂法会诱导快速形核而导致晶粒细化且不连续，不利于载流子快速传输。为了利用低温或温和的方法增加二维钙钛矿晶体取向和提高连续性，申请者提出对基材进行界面分子修饰来调节晶体生长行为解决以上问题。拟研究（1）界面修饰对二维钙钛矿晶体结构和取向的影响，揭示其对生长行为的作用机制；（2）界面分子诱导的不同取向和性质的钙钛矿中的载流子界面分离行为；（3）二维钙钛矿晶体结构和取向对载流子传输速率和特性的影响规律和机制。为最终制备高效率二维钙钛矿太阳能电池提供理论和技术指导。

杂化钙钛矿材料由于其优异的光电学性能，是光伏领域的热门研究对象，并在近十年取得了重大的进步，其光电转化效率接近26%，有望成为光伏市场的新选择。目前，稳定性较差是其商业化面临的最重要的问题。作为一种离子晶体，有机无机杂化钙钛矿材料（ABX3）易受到水的侵袭，使其发生相变和降解，导致材料失活和器件效率衰退。将钙钛矿材料中小尺寸的有机阳离子（如甲胺、甲脒）部分替换为具有较长烷基链的有机阳离子（如丁胺、苯乙胺等），可以制备二维钙钛矿，其借助烷基长链的疏水性和空间位阻效应，可较好的阻止外界水的入侵，提升材料的稳定性。然而，大有机离子层的存在抑制了载流子传输和分离，同时大有机阳离子在薄膜中分布不均匀，会导致明显的相分离，以上问题限制了电池效率。基于上述问题，本项目首先研究了生长基底界面对二维钙钛矿生长取向的影响，并发现，二维钙钛矿在生长过程中，沿垂直方向存在严重的组分分布不均，低“n值”二维组分分布于薄膜底部接近于基底生长，高“n值”组分分布于薄膜顶部，薄膜的中间部分为两部分的混合区。通过调控基底温度，实现了制备内部组分分布合理，具有良好的晶体质量、薄膜致密性以及较好的生长取向的钙钛矿薄膜，其具有较高的电子空穴迁移率，太阳能电池器件光电转化效率达到11.6%。此外，项目研究了二维钙钛矿的生长动力学过程，解析并捕获了在薄膜生长过程中的关键凝胶态；结合实验现象和理论模拟，获得了阳离子种类、热处理温度和凝胶态持续时间三者影响薄膜组分分布的半定量关系，为二维钙钛矿薄膜生长的组分分布调控提供了理论指导。通过本项目的研究，证明了基底以及环境对二维钙钛矿薄膜生长的过程的影响规律，为二维钙钛矿的生长组分调控提供了较好的研究模型，并且，研究成果可以为三维混合组分钙钛矿的生长调控提供研究思路。