NiO空穴传输层与活性层界面的几何和电子结构的第一原理性研究

In bulk-heterojunction solar cells, NiO hole transport layer material has great scientific and application potential. Most of the current researches focus on the properties of NiO film, however, researches on the interaction of NiO with the active material and its impact on the interfacial electronic structure and hole transport are insufficient. Based on the applicant’s previous works, NiO/organic polymer (P3HT and PTB7) active layer and NiO/organic-inorganic hybrid perovskite CH3NH3PbI3-xClx(x = 0 – 3) interface models will be constructed. The interfacial geometry structure, electronic structure and band alignment of NiO/active layer will be studied in this project. And the relationship between interface structure and hole transport property could be established. Then the effect of Ni2+ defects and carbonyl and hydroxyl compounds on the geometry and electronic structure of NiO/active layer will be explored to understand the effect of NiO surface modifications on the interfacial band alignment. This project could provide a better understanding of the role of NiO/active layer interface in solar cell devices.

在体异质结太阳能电池器件中氧化镍(NiO) 空穴传输层蕴藏着巨大的科学和应用价值。现有研究大多集中在NiO膜自身的性能研究上，而对于NiO与活性层的相互作用及其对界面电子结构和空穴传输的影响这方面的研究重视不足。本项目在申请人前期的工作基础上，拟通过建立NiO与有机聚合物 (P3HT和PTB7) 活性层，NiO与有机无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3-xClx(x = 0–3) 活性层的异质界面模型，研究该异质界面的几何结构，电子结构和能级排列，建立起界面微结构与空穴传输性能的关系。继而探索Ni2+缺陷，羰基和羟基化合物对NiO/活性层界面几何和电子结构的影响，了解NiO薄膜表面修饰如何影响活性层与NiO的能带排列。这些信息能更好地理解NiO与活性层界面在太阳能电池器件中的作用。

氧化镍作为有机光伏电池的空穴传输和电子阻挡层，已被研究多年。尽管实验和密度泛函理论(DFT)计算对MAPbI3的电子性质进行了广泛研究，暗示了NiO/钙钛矿界面相互作用对器件性能提升的重要性，但从原子层面上了解MAPbI3和NiO之间的界面相互作用可能更有助于发现界面优化的新策略。本项目通过DFT和非平衡格林函数（NEGF）计算，研究了NiO(100)/MAPbI3的界面相互作用与电荷重组和输运之间的关系。本项目发现界面电子结构对晶面和MAPbI3表面的选择具有强烈的依赖性。本项目研究还发现Pb‒O，H‒O，Pb‒Ni和Ni‒I耦合对界面电子结构和器件特性（例如短路电流（Jsc），开路电压（Voc）和传输本征态）起着关键作用。通过本项目的研究，可以得出以下三个主要结论：（1）由于Pb‒O和Pb‒Ni的相互作用，NiO（100）可使PbI2终止表面比MAI终止表面的MAPbI3更稳定。（2）能带结构表明，界面能带的排列具有明显的界面修饰依赖性（PbI2/MAI的选择以及Li/Rb/Cs掺杂）。态密度表明，界面相互作用可以减少NiO和MAPbI3之间的价带偏移，同时增加NiO和MAPbI3之间的导带偏移，这有利于空穴（电子）向NiO/阳极的传输（阻塞）。此外，能带的红（蓝）移可能取决于H‒O（Pb‒O）和Ni‒I耦合之间的竞争结果。Pb（H）-O和Ni-I耦合之间达到平衡可能优化的器件性能。（3）所计算的光电流与电压的关系受MAPbI3的晶面及终止面的影响。传输本征态表明，PbI2层可能比MAI层提供更好的空穴传输性能，这与部分实验结果相符合。NiO（100）/MAPbI3（100）-PbI2界面在所有研究的界面中表现出最佳，这可能是由于其界面上的电势降最大以及出色的空穴（电子）传输所致。综上，我们的计算可以解释为什么PbI2层可以增强器件性能。在NiO/卤化钙铅钙钛矿的界面上暴露PbX2（X=卤素）可能是改善电荷分离和传输的可行策略。