使用近场光学显微镜技术研究钙钛矿太阳能电池中光生载流子的输运机制

The perovskite materials, especially CH3NH3PbX3, X =I,Cl,Br, have attracted much attention for high performance solar cells. After five years’ development, the power conversion efficiency has been improved to more than 19 %. Nevertheless, Many fundamental questions with regards to the mechanism responsible for photo-induced charge transfer are not well understood. Recently, the electron-hole transfer length in perovskite was estimated to be about 100 nm using transient pump-probe spectroscopy. However, there still lacks clear and unambiguous evidence in real space to show the charge transport in this special material. In this project, we proposed a new characterization technique based on advanced high-resolution scattering type scanning near-field optical microscope (SNOM) to investigate the mechanism of photo-induced charge transfer in perovskite. Under the illumination of visible light, the nanometer size SNOM tip is able to do in-situ detection of many characteristics of photo-induced carriers. By characterizing the surface, interface, dynamics and electromagnetic response, we are aiming to discover the influence of crystal microstructure (size, shape and orientation), grain boundaries and interior domain boundaries, and crystal defects (atomic steps on the surface and dislocation) on the transport of charge carriers. The success of this project will pave the way for developing new techniques and approaches to fabricate even higher performance perovskite solar cells.

最近,钙钛矿型材料（特别是CH3NH3PbX3, X =I,Cl,Br ）在高性能的太阳能光转化方面备受关注。经过5年的发展，其光电转换效率已经提高到19%以上。关于其光生载流子的输运机制方面的许多基础性科学问题远远没有得到充分的认识和理解。最近的文献报道采用飞秒瞬态光谱技术推算出钙钛矿中电子-空穴的扩散长度接近100 nm，然而，业界内仍然缺乏载流子输运的实空间证据。本项目结合先进的高分辨散射型近场光学显微镜技术，使用可见光光源激发太阳能电池用钙钛矿薄膜并同时使用SNOM的纳米级针尖原位探测光生载流子的多项特性，旨在通过表界面表征、微结构表征、动力学表征和电磁学特性表征等多方面的测试手段，揭开钙钛矿材料中纳米晶的微结构（尺寸、形状和排列）、晶粒界面和内部畴结构、晶体缺陷（晶面上原子层台阶、晶粒内部位错）等对材料的载流子迁移率的影响规律。本研究的成果将有益于指导探索高性能钙钛矿太阳能电池。

本项目主要对钙钛矿材料在光伏器件方面应用的物理机制进行了基础性研究。重点对与钙钛矿材料接触的同质和异质表界面中的载流子密度空间分布、在光照下的载流子的跃迁方式以及光子、电子和声子的作用过程、钙钛矿材料中纳米晶的微结构（尺寸、形状和排列）、晶粒界面和内部畴结构、晶体缺陷（晶面上的原子层台阶、晶粒内部的位错）等对材料的载流子扩散距离和迁移率的影响等进行了系统深入的研究。.项目严格按照任务书中规定的研究内容，就项目所涉及的研究任务进行了系统研究。截至目前，项目进展按照任务书中计划执行，研究进度与预期相符。具体而言，.1. 开发了基于湿化学法和化学气相沉积法两步制备低维钙钛矿纳米材料的新技术，率先实现了三维离子晶体材料的低维化。同时，通过参数精确调控，实现对低维钙钛矿材料的组分调控，以及与其它二维材料杂化异质复合的构建。这种低维钙钛矿结构具有较高的晶体质量以及清晰的表界面结构，适用于高空间分辨的光学表征（近场光学显微镜、荧光/光电流空间成像等）。.2. 提出了利用具有高空间分辨率的近场光学显微镜、光电流/荧光空间成像、红外空间成像技术协同揭示钙钛矿中载流子产生、分离、迁移及复合过程物理图像的普适性方法，并在其它光电功能材料的表征中得到了极大地推广。与此同时，从微尺度上阐明了钙钛矿材料及其异质结构中光生载流子的分布与传输规律，以及离子移动对钙钛矿微结构和光电性能的影响规律，对基于有机无机杂化钙钛矿材料的能源和光电器件的发展具有重要的指导意义。.3. 通过系统研究钙钛矿材料中的光与物质相互作用和光电转换机制，构建出系列基于低维钙钛矿材料的高性能光电子器件，包括低电压驱动的宽波段、高响应度光探测器件；低传播损耗、高调制深度的光波导和调制器件；具有超快脉冲输出的光纤锁模激光器；以及高亮度、高外量子效率的LED器件等。。为下一代微型化、集成化的微纳米信息系统集成提供理论和技术的支撑。