甲胺与钙钛矿材料的气-固作用机理研究与控制

By methylamine gas uptaking and degassing treatment, the defect in the perovskite thin films could be quickly healed and this method could be employed to fabricate large scale perovskite thin films. However, the healed perovskite thin films are with microcrystalline structure. Further improvement of the crystalline quality of the perovskite film is the key to promote device efficiency and stability. This project is to investigate the mechanism of gas-solid interaction between methylamine and perovskite material, to analyze the dynamics of methylamine gas adsorption and desorption processes, and to explore basic materials science issues happened in the film crystallization processes. Followed by the control of the gas pressure, temperature and other related parameters to optimize the nucleation, growth and ripening process to achieve the formation of the perovskite film with large grain size and low defect density. Implementation of this project can provide the necessary solutions for the preparation of large scaled and high-quality perovskite film, and in turn will rich the gas-solid reaction theory in material science.

通过甲胺气体的吸入和脱出处理可以快速修复钙钛矿薄膜中的缺陷结构，从而可实现均匀钙钛矿薄膜的大规模制备。然而，修复后的钙钛矿薄膜呈现微晶结构，进一步提高薄膜结晶质量是提升器件效率和稳定性的关键。本项目将通过研究甲胺气体跟钙钛矿材料的气-固作用机制，分析甲胺气体的吸入和脱出的动力学过程，探讨钙钛矿薄膜结晶过程的材料科学问题。继而通过压强、环境温度等参数调控钙钛矿材料的形核、生长和熟化过程，最终实现大晶粒尺寸、低缺陷态浓度的均匀钙钛矿薄膜的制备。本项目的实施既可为大面积制备高质量钙钛矿薄膜提供可行方案，又将丰富气-固反应的基础材料科学理论。

甲胺气体修复是非常有应用前景的制备大面积制备甲胺铅碘钙钛矿薄膜的方法。甲胺气体的吸入和脱出处理可以快速修复钙钛矿薄膜中的缺陷结构，从而实现均匀钙钛矿薄膜的大规模制备。然而，修复后的钙钛矿薄膜呈现微晶结构，进一步提高薄膜结晶质量是提升器件效率和稳定性的关键。本项目重点研究了甲胺气体跟钙钛矿材料的气-固作用机制，分析了甲胺气体的吸入和脱出的动力学过程，探讨了钙钛矿薄膜结晶过程的材料科学问题。继而通过对钙钛矿材料的形核、生长和熟化过程的有效控制，最终实现超大晶粒尺寸、低缺陷态浓度的均匀钙钛矿薄膜的制备。.本项目在甲胺气体跟钙钛矿材料的作用机制、钙钛矿薄膜形核和生长过程的材料科学问题、钙钛矿薄膜的熟化过程等三个方面得到了较为深入的研究成果。气体修复技术对于Cs掺杂的钙钛矿材料体系同样适用，而对含有甲脒体系的钙钛矿会造成相分离，意外发现这种相分离的到的非钙钛矿相可以起到钝化钙钛矿表界面的作用，在效率和稳定性方面均得到提升。甲胺-甲脒复合钙钛矿体系的溶液法制备过程中，甲胺基钙钛矿材料优先形核，然后通过离子扩散得到最终的复合结构。而前驱体中Cl离子的引入，同样可以诱导钙钛矿的结晶过程，有助于提高钙钛矿结晶质量。同时，Cl离子的引入有助于晶粒的熟化生长，从而能解决气体修复技术难于得到大晶粒钙钛矿薄膜的瓶颈问题。在进行以上工作的基础上，我们对甲胺气体修复过程有了更为深入的理解。气体修复的化学本质是甲胺气体与钙钛矿材料间的配位键和氢键作用，更为重要的是在常温下，甲胺气体跟钙钛矿材料形成的中间相的流动性是实现修复的关键所在。这些结论一方面可以为大面积修复钙钛矿薄膜建立理论基础，此外，又将丰富气-固反应的基础材料科学理论。