發(fā)布時間：2020-07-11 01:54

【摘要】：由于有機無機雜化鈣鈦礦MAPbX3(MA:甲胺,X:鹵素)材料具有優(yōu)異的特性(如:較寬的強吸收、較長的載流子壽命、較長的載流子擴散長度、高載流子遷移率和小的激子束縛能),可廣泛地應用于激光、太陽能電池、光電探測器、光敏晶體管和LEDs等光電器件中。同時,雜化鈣鈦礦作為吸光層材料的另一個吸引人的特性是其帶隙可以通過很多方式連續(xù)可調,如鹵素替代的方式等。而且,一般制備雜化鈣鈦礦材料的方法是在合適的襯底上經過一步或兩步旋涂后退火。然而,這種方法需要控制的實驗參數(shù)或條件較多。直至今日,仍需要一種溫和、快速的合成鈣鈦礦材料的方法,而溶劑熱法由于具有許多優(yōu)點而被認為是一種理想的合成路線�；谝陨显�,本論文通過溶劑熱法合成有機無機雜化或鹵素雜化鈣鈦礦晶體,并且將其應用于鈣鈦礦太陽能電池和光電探測器的制備。本論文主要開展了以下幾方面的研究,研究結果如下:1、通過溶劑熱法合成了 CH3NH3PbX3(X=C1,Br,I)晶體,系統(tǒng)地研究了不同前驅物濃度、反應溫度、反應時間、鉛源和鹵素源下所合成的鈣鈦礦晶體的微結構與光學特性。實驗結果表明:CH3NH3PbI3晶體為四方相結構,CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbC13為立方相結構,并且CH3NH3PbI3形貌可從顆粒狀變?yōu)槊姘枷莸牧⒎叫蚊?其主要原因是在晶體生長過程中存在副產物或過量的HI或CH3NH2而引起晶體面凹陷的生長;不同鉛源下合成晶體的光致發(fā)光(PL)圖譜存在藍移現(xiàn)象,主要是因為晶體中存在有大量的缺陷,并且不同的鉛源對發(fā)光峰強度的影響較明顯。2、通過溶劑熱法、鹵素替代的方式系統(tǒng)地合成了全組份鹵素雜化CH3NH3Pb(BrxI1-x)3(Ox1)晶體。實驗結果表明:合成的晶體為立方形貌,并且隨著VHBr%的增加,晶體可從四方相結構轉變?yōu)榱⒎较嘟Y構,晶體的PL峰從768 nm處連續(xù)的變化到549 nm,對應產物的帶隙從1.61 eV到2.26 eV連續(xù)變化,尤其是CH3NH3Pb(BrxI1-x)3(0.4x≤0.6)晶體在激光長時間的照射下出現(xiàn)相分離的現(xiàn)象,主要原因是晶體在光照射的表面區(qū)域形成了較小的低帶隙富碘或高帶隙富溴的小區(qū)域,致使應力的出現(xiàn)從而導致鹵素相分離。3、基于溶劑熱法合成的CH3NH3PbI3晶體,將其溶解于DMF溶劑中形成前驅混合溶液,在電子傳輸層(Ti02)表面旋涂退火后形成鈣鈦礦薄膜,進而制得Glass/Compact TiO2/Mesporous Ti02/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au 結構的鈣鈦礦太陽能電池器件。同時,討論了不同前驅混合溶液濃度對鈣鈦礦成膜質量的影響。通過SEM和Keithley 4200源表表征了鈣鈦礦薄膜的形貌和器件的電學性能。實驗結果表明:前驅混合溶液濃度在60 wt%下鈣欽礦薄膜成膜質量較優(yōu),其對應的鈣鈦礦太陽能器件的光電轉換效率PEC為8.49%,短路電流Jsc為20.36 mA/cm2,開路電壓Voc為0.79 V,填充因子FF為0.524。4、基于溶劑熱法合成的CH3NH3PbI3晶體,將其溶解于DMF溶劑中形成前驅混合溶液,旋涂在叉指平面Au電極上,經退火制得了持久穩(wěn)定的MSM結構的紫外-可見光鈣鈦礦光電探測器。通過Keithley 4200源表表征了器件的電學性能。實驗結果表明:器件的光電流強度隨著入射光強度的增加而增加,開光比Ilight/Idark約為3.77×102,響應度為6.66mA/W;在紅光照射下,鈣鈦礦探測器光電響應最靈敏,響應時間和衰退時間分別小于0.04s和0.05s;而且將探測器連續(xù)照射1000s以上或存儲90天,鈣鈦礦探測器仍具有穩(wěn)定而持久的光電響應特性。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34;TN15
【圖文】：

地危害著人類社會和人們的生活。太陽能與其它清潔能源（風能、生物能源、潮逡逑汐等）成為不可再生能源的理想補充和替代能源［１－２］。目前，光伏技術是解決人逡逑類能源問題最直接且有效的方法之一［３］。在太陽能光伏器件中，單晶硅太陽能逡逑電池獲得了較為廣泛的應用，因為它具有較高的轉換效率和較為成熟的制造技術。逡逑為了進一步降低成本和環(huán)境的污染，研宄者們致力于尋找新材料和新技術研發(fā)低逡逑成本的太陽能電池。近年來，Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２邋（簡稱：ＣＩＧＳ）和ＣｄＴｅ薄膜太陽能逡逑電池比多晶硅太陽能電池［３］在光吸收方面展現(xiàn)出了較高效的光電轉換能力［４－５］。逡逑除此以外，一些新型半導體太陽能電池、有機薄膜異質結太陽能電池、光電化學逡逑電池也得到了快速發(fā)展，如敏化太陽能電池、有機聚合物太陽能電池［６－８］。由于逡逑這些新一代的太陽能電池的成本和大面積生產技術的不成熟性等等原因，導致它逡逑們幾乎不能與硅基太陽能電池相比較，新一代的太陽能電池相關的研宄主要涉及逡逑材料本身和器件的設計，以及在復雜環(huán)境下電荷的產生、傳輸和存儲規(guī)律，以此逡逑促進不同光電學科之間的相互交流，如光伏、光化學、光催化和光發(fā)射等。逡逑Ｂｅｓｔ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ－Ｃｅｌｌ邋Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ逡逑５０．邐邐邐邐邐邐邐１逡逑

Ｃ２Ｈ５ＮＨ３＋），邋Ｂ邋為二價金屬陽離子（Ｃｏ２＋，邋Ｃｕ２＋，邋Ｎｉ２＋，Ｆｅ２＋，Ｍｎ２＋，Ｃｒ２＋，邋Ｐｂ２＋，逡逑Ｅｕ２＋，Ｃｄ２＇邋Ｓｎ２＋和邋Ｙｂ２＋等）［３３－３５］，其中邋Ｘ邋為鹵素（Ｉ、Ｂｒ邋和邋Ｃｌ邋）（圖邋１．２，逡逑圖１．３ａ）。目前，在太陽能電池中研究最廣的是Ｐｂ２＋或Ｓｎ２＋作為Ｂ位的鈣鈦礦材逡逑料［３６－３９］』位的二價金屬離子和鄰位６個Ｘ鹵素原子配位成完美的［ＢＸ６］４＿八面逡逑體（圖１．３ｂ），此八面體通過頂角共享形成擴展的周期性三維網絡（圖１．３ｃ），Ａ逡逑位單價有機陽離子填充在［ＢＸ６ｆ八面體形成的空隙中，它與周圍１２個Ｘ鹵素原逡逑子配位形成十四面體，晶體結構如圖１．３ｄ邋［４０］。顯然，要形成穩(wěn)定的立方雜化鈣逡逑鈦礦結構，有機陽離子Ａ的大小要受到無機金屬鹵化物八面體空隙大小的限制，逡逑對離子的空間幾何尺寸要求很高。結構輕微的扭曲和畸變會降低鈣鈦礦材料的對逡逑稱性，Ａ陽離子和Ｂ陽離子的配位數(shù)會降低［４１－４２］。圖１．３ｅ為不同層數(shù)的無機逡逑層和有機層形成不同維度的鈣鈦礦結構。逡逑４逡逑

僅僅存在氫鍵、范德華鍵，八面體中還存在配位鍵，在這些分子作用力的驅動下逡逑有機層和無機層在空間上進行長程有序的排列，三維空間結構中存在有機層和無逡逑機層之間相互交疊的狀態(tài)（圖１．３ｅ），這種有機無機雜化的鈣鈦礦材料具有有機逡逑和無機材料所沒有的性質。逡逑有機無機雜化鈣鈦礦材料中不同的無機和有機組份決定了材料的光電特性。逡逑無機結構層會影響材料的機械性質、電學性質以及介電性能等；而有機結構層主逡逑要影響材料的光電響應、穩(wěn)定性和器件的光－電回滯等。有機無機雜化鈣鈦礦材逡逑５逡逑

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本文編號：2749789