准3D结构无机钙钛矿材料的设计、结构调控及其性能研究

Developing inorganic perovskite CsPbX3 materials is an effective way to solve the stability issue of perovskite solar cells currently. However, these materials still face the problem of room temperature phase transition, which are easily converted to a non-perovskite phase and lose their photoelectric properties at room temperature. This project will introduce the concept of “quasi-3D structure” into CsPbX3 perovskites to release the lattice stress and stabilize the phase structure through crystal structure rearrangement while the perovskites maintain the 3D structure of [PbX3] framework to ensure sufficient carrier transportation. This project focuses on the control methods of quasi-3d structure, and discusses the internal correlation between vacancy distribution regulation, density and lattice stress, stability and carrier transport characteristics. This project is expected to obtain high stable quasi-3D inorganic perovskite materials and the corresponding devices, and paves the way for the design of new perovskite materials.

发展无机钙钛矿CsPbX3材料体系，是解决目前钙钛矿太阳能电池所面临的稳定性问题的有效途径。然而，无机钙钛矿CsPbX3在室温下易于转化为非钙钛矿相，丧失光电转化特性。本项目将准3D钙钛矿结构概念引入CsPbX3材料体系：通过晶格重排产生空位结构，释放晶格应力，稳定钙钛矿相结构；同时保持[PbX3]骨架结构的3D连续性，保证优异的载流子传输性能。重点研究准3D结构的控制手段，探讨空位分布、密度的调控与晶格应力、材料稳定性、载流子传输特性的内在关联性。最终实现稳定高效的准3D结构CsPbX3无机钙钛矿太阳电池器件，为新型钙钛矿材料体系的设计提供可借鉴的思路。

本项目将准3D钙钛矿结构概念引入CsPbX3材料体系，稳定钙钛矿相结构；同时保持[PbX3]骨架结构的3D连续性，保证优异的载流子传输性能。本项目执行过程中主要研究了采用具有较大有效离子半径的FA+（甲脒）和DMA+（二甲基胺）离子对CsPbI3钙钛矿进行掺杂，通过掺杂提高钙钛矿的容忍因子，从而提高钙钛矿相的稳定性。主要进行了以下工作：1. 通过DMA+掺杂将CsPbI3钙钛矿的容忍因子从0.85提高到0.88，显著改善了其稳定性。并且带隙从1.73 eV降低到1.67 eV，更适合作为太阳能电池材料。2. 开发了Cs4PbI6辅助固相反应法制备钙钛矿。发现方法可以形成FA+与Cs+离子任意比例的FAxCs1-xPbI3材料体系。该发现解决了在FAxCs1-xPbI3体系中只能制备FA大于70%的难题，首次实现全比例的制备。3. 进一步在DMAxCs1-xPbI3材料体系研究中发现，由于钙钛矿中DMA+离子分布的不均匀性，形成1.67 eV带隙的富DMA相和1.73 eV带隙的CsPbI3相，两相分别表现出p型导电性和n型导电性，形成本体异质结结构，有利的促进了载流子收集并减小载流子复合，最终实现器件性能的显著提升，获得19.5%的认证效率。