钙钛矿太阳能电池回滞现象的第一性原理研究

Despite rapid development of organometal halide perovskite solar cells (PSCs) in recent years, their large-scale deployment faces considerable roadblocks, ranging from undesirable current-voltage hysteresis to inferior device stability. Among various plausible explanations for the hysteresis, the migration of iodine vacancies under external electric field, motion of interfacial defects and interfacial ferroelectricity are particularly intriguing and warrants a close scrutiny. It would be of significant importance to elucidate the mechanisms of how the iodine vacancies, interfacial defects and ferroelectricity affect the anomalous photocurrent- photovoltage hysteresis in PSCs on the atomic scale. We intend to systematically investigate the physical origin of hysteresis in PSCs from first principles, construct an unambiguous link between the microscopic interfacial structures and macroscopic photovoltaic properties of PSCs, and pave the way for design and optimization of innovative solar cells.

尽管钙钛矿太阳能电池目前发展迅速，是最有希望的新能源应用之一。然而钙钛矿本身的稳定性，尤其是电流-电压回滞现象，大大限制了钙钛矿太阳能电池的发展。在众多关于钙钛矿太阳能电池电流-电压回滞的起因研究中，钙钛矿内部碘空位迁移、界面缺陷以及钙钛矿材料的铁电性被认为导致钙钛矿回滞现象的主要因素。从原子尺度上更系统深入的理解回滞现象后的物理机制对钙钛矿电池的发展十分有意义。本项目拟用第一性原理计算的方法，从原子尺度上直接研究钙钛矿太阳能电池的界面微观结构和界面电荷传输动力学关系，探索钙钛矿太阳能电池中钙钛矿内部离子迁移、异质结界面缺陷、钙钛矿本身铁电性对钙钛矿太阳能电池电流电压回滞的影响，为提高钙钛矿太阳能电池的稳定性以及能量转化效率提供新思路。

钙钛矿太阳能近年来发展迅速，受到广泛的关注。然而钙钛矿本身的稳定性，尤其是电流-电压回滞现象，大大限制了钙钛矿太阳能电池的发展。在众多关于钙钛矿太阳能电池电流-电压回滞的起因研究中，钙钛矿内部碘空位迁移、界面缺陷以及钙钛矿材料的铁电性被认为导致钙钛矿回滞现象的主要因素。本项目基于密度泛函理论，用第一性原理计算的方法系统细致地研究了钙钛矿材料内部碘空位缺陷、二氧化钛中氧空位和钙钛矿材料的铁电性对钙钛矿太阳能电池回滞现象的影响。研究发现钙钛矿材料内部碘空位缺陷和二氧化钛中的氧空位在不同扫描电压下的定向迁移使得二氧化钛和钙钛矿界面处呈现出截然不同的电子注入和电子-空穴复合过程，所以导致不同的器件光伏表现。减少钙钛矿材料内部碘空位缺陷和二氧化钛中的氧空位缺陷是抑制钙钛矿电池回滞现象的有效手段。同时MAPbI3钙钛矿与氧化物衬底之间的界面相互作用使MA离子具有取向选择性。不同扫描条件下，两个取向的相互转换导致电池界面处不同的电子-注入复合速率，从而引起电池的电流电压回滞。用弱极性的有机集团FA替代有极性的MA基团，或者引入界面钝化层，则会消除这种界面相互作用引起的界面铁电性，从而消除电池的回滞现象。我们的研究从原子尺度上系统深入地理解回滞现象后的物理机制，为实验上消除电池的电流电压回滞指明了方向，有利于促进钙钛矿电池的大规模发展。