钙钛矿型光吸收材料能带调控与界面输运性质预测

From 2009, perovskite solar cells have received great attentions from the whole solar cell community, owing to its low cost and substantially enhanced power conversion efficiency up to even beyond 20%. Under such a highly developed flied, it still retains some fundamental key issue that are subject to be solved. This project proposes two detailed scientific key problems, as bandstructure engineering of perovskite light absorber and carrier transport properties at absorber/carrier-collector interfaces. Given these two problems, this project starts from the anomalous bandgap behavior in the doped CH3NH3Sn1-xPbxI3 absorber, intending to uncover the underlying physical mechanism of and relationship between doping and bandstructure manipulation. On the basis of revealed relations, it may predict a few novel light absorber materials with special properties. Hole collecting materials for these novel absorbers are also going to be explored. When these materials are all set, it may build a transport model to investigate the role of contact interface in the carrier (hole for here) transport properties, finding the primarily factor that blocks hole transport and proposing likely ways to optimize the hole transport. We have confidence that these research plans may substantially contribute to the final goal of the network project.

从2009年至今，钙钛矿型太阳能电池异军突起，其光电转换效率已经逼近甚至超过20%，加之其造价低廉的优势，吸引了全世界太阳能电池研究者的目光。然而，在这一显著进展的背后还存在着一些有待解决的关键科学问题。项目凝练出：（1）、钙钛矿光吸收材料的能带性质调控机制与理性设计；（2）、光吸收材料—空穴收集材料界面电子输运性质这两个基本科学问题。围绕上述问题，项目拟从研究CH3NH3Sn1-xPbxI3材料的掺杂浓度和能带性质的异常现象出发，得到掺杂元素种类和浓度影响能带性质的几何和电子结构起源，阐明其相互影响机制和规律；在此基础上理论预测掺杂（替换）原子的钙钛矿型材料的能带性质，提出几种有自主特色的钙钛矿型光吸收材料，并探索几种与之匹配的空穴传输材料或阳极材料，得到影响载流子（空穴）在材料中尤其是材料界面上传输速度的主要因素，提出可能的优化选项。相信上述研究有助于实现本重大研究计划的最终科学目标。

从2009年至今，成本低廉的钙钛矿型太阳能电池异军突起，吸引了全世界太阳能电池研究者的目光。然而，该电池在光照、水分及高温条件下的不稳定问题阻碍了该类太阳电池的商业进程。项目采用第一性原理计算研究了钙钛矿光吸收材料的多种界面的结构、稳定性和电子结构。. .具体地，考虑了使用Br、Ag、Cu和Zn等对MAPbI3表面进行替换修饰。计算表明，对应的表面结构都有晶格收缩的趋势，使得包围有机分子的八面体整体收缩。同时，不同表面结构仍然保持了Γ-Γ直接带隙的电子结构，带隙值都保持在可见光范围内，保证了一定的光吸收。整体上，该表面修饰方法在保证了电子结构的基础上，有助于减小有机分子与表面水分子的相互作用，进而有望提高器件长时间工作的稳定性。进一步研究发现，虽然立方相CsPbI3在室温并非热力学最稳定相，但其表面的能量较低。因此可以通过调节表面与体相比例，改变立方相的相对稳定性。计算发现纳米晶尺寸小于7.8~18 nm；纳米线的直径小于3.0~10 nm；纳米片厚度小于1.3~4.8 nm时，立方相具有更好的热力学稳定性。将I替换为Br后，对应的相变尺寸分别为：14~71.9 nm、9.7~48.3 nm和5.4~24.6 nm。这为实验得到低温稳定的立方相CsPbX3提供了理论参考，有望使得立方相成为室温稳定相。随后的研究发现，Ti掺杂有可能诱导MAPbI3解离和电子结构的破坏。计算研究了以MAPbI3为例的四方相和立方相的Ti掺杂。计算发现， Ti原子倾向于占据MAPbI3中Pb的位置，导致部分Pb-I键断裂，并伴随着几何结构的破坏，还使MAPbI3从半导体变成了金属。同时，Ti在MAPbI3材料中的扩散势垒教低，最小值仅0.28eV。. .项目在高水平期刊上发表论文24篇，其中19篇项目负责人为通讯作者。发表Nature子刊1篇、PRL 2篇、NANO Letters 2篇、ACS NANO 1篇、Advanced Materials 2篇等8篇高端论文。此外，还支持国产期刊，在Science China和Chinese Physics B上受邀发表论文两篇。此外，项目执行期参加国内、国际会议并做邀请报告数十次，与国际多个研究组保持着长期合作。参与组织了几次国际会议和讲习班。项目论文入选高被引论文3篇；研究成果2015中国百篇最具影响国际期刊论文。