钙钛矿纳米晶的表面钝化及稳定性提升研究

Organic-inorganic lead halide perovskite (OLH) is one of the most promising materials in photovoltaic, which has drawn tremendous attention due to its excellent photoelectrical properties, such as high absorption coefficient, tunable band-gap and long carrier diffusion length. However, the commercialization of OLH is greatly hindered by its unstability. In this project, perovskite nanocrystals (PNCs) as a model, will be investigated to understand the mechanism of the surface passivation and unstable properties of PNCs. In this proposal, PNCs with different compositions, surface ligands and metal oxide layers will be prepared by introducing substitutive precursors, effective capping ligands and organic metal compounds. The surface properties of PNCs including defects and the ratio of surface atoms will be further studied. Correspondingly general approach of passivating the surface defects and improving the stability of PNCs will be proposed. This project will help us understand the fundamental mechanism of surface passivation and PNCs’ unstability, and also be of importance for the stability improvement of PNCs.

具有优异光电性质的有机/无机杂化铅卤钙钛矿材料（OLH）兼顾了高吸收系数、可调的禁带宽度及较长载流子寿命等特点，是一种极具应用潜力的半导体材料，但其较差的稳定性极大地阻止了该材料的商业化进程。本项目拟以钙钛矿纳米晶（PNCs）作为研究模型，针对目前PNCs表面钝化机理不清晰和稳定性较差等科学问题，拟采用PNCs组分和保护基取代，以及金属氧化物包覆PNCs的思路，通过筛选有效表面保护基和引入金属有机化合物的方法，制备不同组分、表面保护基及金属氧化物包覆的PNCs，研究PNCs的表面性质及外界因素对PNCs稳定性的作用机理，建立PNCs表面钝化的一般性方法和丰富PNCs稳定性提高手段。本项目的研究结果将揭示OLH不稳定的根本原因，建立PNCs表面钝化的一般性方法，为有效钝化PNCs表面缺陷和提升PNCs稳定性等科学问题奠定实验和理论基础。

金属卤化物钙钛矿材料（MHPs）较差的化学和热稳定性是该类材料商业化进程中巨大的障碍之一，如何维持此类材料在不同应用场景中优异的光电特性是目前研究的热点及难点。本项目从金属卤化物杂化材料出发，通过核壳结构构筑、F代配体的引入以及B位离子掺杂等化学手段提升该类材料的结构稳定性和光电特性。主要研究内容及重要结果如下：1）利用氨基硅氧烷类配体特定的锚定作用和水解效应，实现了无定型SiO2包覆的钙钛矿纳米晶（PNCs）的制备。该类材料在具有良好空气稳定性的同时也展现出了高效的荧光发射性能。另外，借助于飞秒瞬态吸收光谱（TA），详细研究了PNCs尺寸依赖的激子动力学，揭示了PNCs尺寸、表面缺陷和激子动力学三者的内在关联；2）选择不同F原子数取代的乙胺作为A位抗衡阳离子，利用F-C键的强疏水效应以及H…F-C氢键相互作用，实现了2D MHPs无机层的扭曲度调控和热稳定性提升，结构的变化也影响了2D MHPs的能带宽度、层间电荷传输性能以及白光发射特性，证实了分子间相互作用的构建是一种调控2D MHPs光电特性的有效手段；3）通过掺杂含有6s2电子的Pb2+，成功调控了2D Cd基MHPs的电子结构和前线轨道宇称性，实现了2D Cd基MHPs高效的白光发射，在照明、显示等领域极具应用前景。项目执行期间，以汕头大学作为通讯作者单位并标注本项目支持的论文11篇，申请专利1项，培养毕业研究生1人，硕士研究生8人。