有机-无机复合钙钛矿单晶材料的研究进展

由于具有可调谐的光学带隙、较高的载流子迁移率、高外量子效率、较长的载流子寿命和载流子扩散长度等优点,新型有机-无机复合钙钛矿材料在太阳能电池、光电探测器、LED等光电领域展现出潜在的应用优势。自2009年第一块钙钛矿太阳能电池获得了3.8%的光电转换效率以来,钙钛矿材料成为世界范围内研究的热点。根据近年来钙钛矿材料的发展历程,概述了钙钛矿单晶材料从含Pb到无Pb(包含Sn-基、Ge-基无铅钙钛矿材料、类钙钛矿材料以及双钙钛矿材料)的发展历程和主要应用领域。     

有机-无机钙钛矿晶体生长调控研究进展

钙钛矿太阳能电池是近5年太阳能转化利用领域的研究热点,受到国内外研究者的广泛关注.ABX3钙钛矿不但具有快速传递空穴和电子的能力,而且具有强而宽的可见光吸收性能.介观和平面结构钙钛矿薄膜电池是并重发展的钙钛矿太阳能电池.其小于1!m钙钛矿光活性层使得器件对钙钛矿层的结晶度和成膜性有着较高的要求.通过控制钙钛矿的结晶方式和质量来提高膜的性能就成为了提高电池光电转化效率的重要方式之一.第一部分综述了各种制备条件下利用一步法和两步法合成ABX3太阳能电池钙钛矿薄膜.进一步通过提高钙钛矿材料的晶体质量,将钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从3.8%提高到20%.此外,和钙钛矿薄膜相比,钙钛矿大晶体不但具有较长的载流子传输路径,而且结构更加完整,更有利排除其他因素的干扰,增进对钙钛矿结构的深入解析.因此第二部分重点介绍了钙钛矿单晶的性能和制备方法,并对其在太阳能电池和光电探测器中的应用做了初步展望.     

新型铅卤基钙钛矿材料及其应用

铅卤基钙钛矿材料因其优异的光电转化效率、可调禁带宽度、较高载流子迁移率、较大光吸收系数等突出性能,在太阳能电池、发光器件和光电探测等领域获得广泛关注。介绍了铅卤基钙钛矿薄膜、量子点和单晶的制备和相关物理性能,总结了其在太阳能电池、发光二极管(LED)、光电探测器等领域的最新研究进展,讨论了目前存在的问题及未来发展前景。     

CH3 NH3 PbBr3钙钛矿纳米晶的室温合成及发光性能研究

有机-无机杂化钙钛矿材料因光吸收系数大、带隙直接且可调、载流子迁移率高、载流子扩散长度长等优势在光电器件领域显现巨大的应用前景.采用低温合成工艺,实现光学性能调控,对于扩展其应用具有重要研究价值.本文开发了一种室温下合成CH3 NH3 PbBr3纳米晶的简便方法,研究了反应时间对钙钛矿纳米晶的晶体结构和发光性能的影响....     

高响应率石墨烯-CsPbBr3量子点光电探测器

全无机金属卤化物钙钛矿材料CsPbX_3(X=Cl,Br,I)不仅有优异光电特性,还有比有机-无机杂化钙钛矿更好的热稳定性,在光电探测器领域有很大应用前景.但由于全无机钙钛矿材料自身迁移率较低,直接用于光电探测器其光响应率也很低,难以满足实际应用.以热注入法合成高质量的CsPbBr_3钙钛矿量子点材料,再将其与高迁移率的单层石墨烯薄膜相结合,构建出石墨烯-CsPbBr_3量子点复合光电探测器,光响应率高达3.5×10~4 A·W~(-1).研究表明引入石墨烯材料作为传输层后,CsPbBr_3量子点的光生电子空穴对得到有效分离并快速传输.两种材料界面处存在陷阱态,产生了光栅压效应,延长了载流子寿命.两种机制结合使复合光电探测器的光响应率大大提升.     

两步法制备双钙钛矿Cs2AgBiBr6单晶

铅元素的毒性和有机组分的不稳定性一直是阻碍有机-无机卤化钙钛矿光电器件商业化应用的两大亟待解决的问题.无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6由于其稳定的物理性能,在无铅钙钛矿材料中受到密切的关注.本文探索两步法制备Cs2AgBiBr6单晶,单晶质量良好.两步法不使用高纯溴化盐,合成成本大大降低.以上研究为Cs2AgBiBr6...     

钙钛矿太阳能电池缺陷钝化的研究进展

金属卤化物钙钛矿材料的太阳能电池由于其成本低廉,光电性能优异,在过去的11年中取得了巨大的进展.然而,在钙钛矿太阳能电池中存在着大量的有害缺陷,如钙钛矿结构内部存在间隙、空位和杂质缺陷,以及钙钛矿成膜时由于其在晶界和晶面上存在悬空键导致的大量的晶界、界面缺陷.这些有害缺陷严重影响载流子输运,阻碍了钙钛矿太阳能电池能量转...     

掺硫LEC-GaP单晶载流子的分布

采用高压液封直拉法生长2英寸N型掺硫GaP单晶,通过浮舟技术控制直径.按照理论公式计算出掺杂量,采用范德堡法测试掺硫GaP单晶头部、中部和尾部的载流子浓度.分析了固液界面形状对载流子分布的影响,在平坦的固液界面下得到的单晶载流子分布更为均匀.探讨了浮舟控径单晶横向和纵向载流子分布及其影响因素.比较和讨论了浮舟控径和无舟计算机闭环控径单晶纵向载流子分布,表明采用浮舟控制及工艺,造成晶体生长过程中分凝系数及补偿度的变化,使得晶体纵向载流子浓度先降低后升高,提出了通过变速拉晶,可以改善单晶纵向载流子均匀性.讨论了浮舟质量对载流子分布的影响,采用质量较大的浮舟生长GaP单晶,其纵向载流子分布更均匀.     

CH_3NH_3PbI_3钙钛矿薄膜退火升温速率对其光伏性能的影响

采用一种简便的两步连续沉积新工艺,成功制备出较纯相的CH_3NH_3PbI_3钙钛矿薄膜,考查了退火过程中升温速率对钙钛矿薄膜成膜质量及其与TiO_2薄膜形成平面异质结光伏性能的影响.结果表明,恰当选择升温速率对钙钛矿薄膜的形貌、致密性以及晶粒尺寸等参数的优化至关重要;当调控升温速率为3℃·min~(-1)时,可获得表面平整、平均晶粒尺寸较大、结构致密的钙钛矿薄膜.该薄膜具有明显改善光吸收特性和载流子抽取效率,进而使其组成的FTO/TiO_2/CH_3NH_3PbI_3/P3HT/Au钙钛矿平面异质结太阳能电池的光电转换效率提高至5.95%.     

CH3NH3PbI3钙钛矿光电探测器的短脉冲光电响应

以Nd:YAG纳秒脉冲激光器的2倍频输出(532 nm)作为激发光源,比较了1步法、2步法制备钙钛矿光电探测器对ns量级短脉冲激光的光电响应.结果表明,2种钙钛矿光电探测器的上升沿响应时间相当,为20～ 25 ns,且随着探测器的性能退化,上升沿响应时间基本保持不变;在灵敏度方面,2步法CH3NH3PbI3钙钛矿光电探测器能够在更大入射能量范围内保持线性响应,且在低能入射条件下具有更佳的光电转换效率;在光电转换效率的长时间稳定性方面,1步法CH3NH3PbI3钙钛矿光电探测器优于2步法CH3NH3PbI3钙钛矿光电探测器.所得结果既有助于钙钛矿光电探测器的光电转换行为表征,也有利于拓展钙钛矿光电探测器的应用范围.     

纽扣状TiO_2纳米球在钙钛矿太阳能电池中的应用

将具有(001)高能面的纽扣状二氧化钛纳米球添加到无空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池多孔骨架层材料中,能改变骨架层的形态结构,有利于形成高覆盖率的钙钛矿吸光层;同时纳米球可以提高光生载流子的分离和输运效率,有利于获得更高的开路电压和填充因子.优化纳米球与二氧化钛颗粒的比例,在AM1.5的标准光强下,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率由9.42%提升至11.5%.     

平面结构NiO/FAPbI_3钙钛矿太阳电池的性能研究

采用一步溶液法构筑了反式结构NiO/NH_2CH=NH2PbI_3(FAPbI_3)/PCBM/Ag钙钛矿电池。本文研究了钙钛矿薄膜FAPb I3结晶性、表面形貌及光电性能的影响。实验结果表明构筑反式钙钛矿电池短路电流Jsc=15.89 mA·cm-2,开路电压Voc=0.8 m V,填充因子FF=32%,光电转换效率为PCE=4.49%。     

退火温度对CH_3NH_3PbI_3成膜质量及光伏性能的影响

采用简单的溶液法在FTO玻璃上制备钙钛矿薄膜.通过运用控制变量法研究退火温度对钙钛矿层成膜质量的影响规律,利用SEM、XRD、UV、IV、EQE等表征手段对器件的形貌、结构、光学和光电转换效率进行研究.研究结果表明,退火温度对钙钛矿吸收层的结晶性能、钙钛矿太阳能电池的光电转换效率影响较大,当钙钛矿薄膜退火温度在100℃时钙钛矿薄膜具有较高的结晶质量,同时还具有较高的表面覆盖率,使钙钛矿太阳能电池的效率达到最大.     

氯化铷添加剂对钙钛矿太阳能电池性能的影响

在钙钛矿前驱体溶液中加入添加剂,是改善钙钛矿薄膜质量、提高钙钛矿太阳能电池性能的重要手段。该研究采用氯化铷(RbCl)作为添加剂,通过扫描电子显微图像、 X射线衍射图谱、光致发光光谱等表征手段,研究了不同比例添加RbCl对钙钛矿薄膜形貌与结构的影响,并通过外量子效率测试等方法,比较了不同比例RbCl添加后的钙钛矿太阳能电池器件性能。结果表明：RbCl的添加有利于引导钙钛矿晶粒生长,增大晶粒尺度,形成致密薄膜,从而抑制界面处载流子复合。适量添加RbCl后,钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从18.88%提升到20.06%,开路电压、短路电流密度和填充因子等参数均显著提高,钙钛矿太阳能电池性能得到明显改善。     

笼状热电材料p型和n型Ba8Ga16Ge30单晶之间载流子的调谐研究

本研究首次实现了p型和n型Ba_8Ga_(16)Ge_(30)(BGG)单晶之间载流子类型的相互转换.采用以对方单晶为前驱体的再合成调制方法,再次制备了Ba_8Ga_(16)Ge_(30)(BGG)单晶笼状热电材料,利用物理属性测量系统(PPMS)测量单晶样品的变温电阻率并对其载流子类型进行了评价.结果表明:p型和n型Ba_8Ga_(16)Ge_(30)(BGG)单晶之间载流子类型可以成功地进行相互转换,且n型转换为p型样品时前驱体状态及成分配比的不同可导致改性后样品电阻率及载流子浓度不同.以单晶为前驱体的晶体再生长以及载流子调节对于制备珍贵同位素替代的大块单晶具有指导意义,有益于材料内部笼内及笼上原子的非简谐振动研究,并对热电材料的再生利用也具有重要意义.     

氧化石墨烯复合薄膜对钙钛矿太阳能电池光电性能的影响

为了提高钙钛矿太阳能电池的光电转化效率,在太阳能电池的电子传输层(Ti O2)和光吸收层(CH3NH3Pb I3)间掺入一层氧化石墨烯(GO)薄膜.通过扫描电子显微镜、X线衍射和紫外-可见分光光度计对钙钛矿太阳能电池的形貌和元素进行表征,利用介电-频谱测试仪和太阳能电池I-V测试仪分别对钙钛矿太阳能电池的介电性能和光电性能进行分析.实验结果表明:对比掺杂GO前后钙钛矿太阳能电池的光电性能,样品对紫外-可见光的吸收明显提升,介电损耗减小,模拟太阳光光照下光电流密度明显提高,达到15.15m A/cm2,开路电压达到0.537 V.实验表明掺入GO后,钙钛矿太阳能电池的光电性能显著提高.     

(Na0.5Bi0.5)0.945Ba0.055TiO3单晶的生长及光学性能研究

采用顶部风冷籽晶助熔剂法成功生长出了(Na0.5Bi0.5)0.945Ba0.055TiO3(简称NBBT5.5)晶体,晶体尺寸达到了Φ35mm×12mm;研究了粉料的热学性质、晶体的结构、光学性能及压电性能.实验结果表明,晶体具有三方相四方相共存的钙钛矿结构.通过研究粉料的DSC-TG曲线,得到了制备单晶材料的预烧结的温度以及烧结温度,优化了NBBT单晶材料的制备工艺,降低了Bi2O3和Na2O的挥发.晶体具有优良的光学性能,在369nm处晶体处于全吸收,390nm以上晶体是透明的,1 000nm处透过率达到72%.NBBT5.5晶体的压电常数d33为438pC/N,是一种极具应用潜力的无铅压电材料.     

基于CuPc的反式钙钛矿太阳能电池低温制备

引入一种典型的p型半导体材料CuPc,采用反式钙钛矿太阳能电池结构,利用热蒸发沉积方法将其作为电池的空穴传输层,在低温条件下制备电池器件.对不同厚度CuPc膜对钙钛矿电池性能的影响进行了优化,采用电流-电压测试、扫描电镜、原子力显微镜和X-射线衍射等方法分析了电池的光电性能和薄膜质量.研究结果表明:热蒸发沉积的CuPc层具有良好的平整性和覆盖性,当其厚度为10 nm时,器件在刚性基底上取得了15.37%的最高光电转化效率,在柔性基底上取得了12.66%的最高光电转化效率.该电池制备过程简单、成本低且重复性高,为进一步制备大面积、高效率以及柔性化的钙钛矿太阳能电池提供了参考.     

针状α相AZrX3（A=Ca,Sr,Ba;X=S,Se）无铅硫族钙钛矿光电特性的第一性原理计算

通过密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统研究了针状α相AZrX₃（A=Ca, Sr, Ba; X=S,Se）无铅硫族钙钛矿的晶体结构、力学性质和光电性质,并采用modified Becke-Johnson（mBJ）计算方法对带隙进行修正。结果表明：AZrX₃钙钛矿材料为直接带隙半导体,具有良好的力学和热力学稳定性。其中,针状α-SrZrS₃具有电子有效质量小（0.33m₀）和在可见光区域光吸收系数高(～4×10⁵cm^-1)等特点。且在材料厚度为1.0μm时,光谱极限最大效率（SLME）高达～32.64%,是潜在的太阳电池吸光层材料。同时,AZrSe₃的光电性质计算显示它们也是潜在的光电材料。本研究可以为实验上进一步制备和研究无铅硫族钙钛矿材料的光电性能提供可靠的理论指导。     

浴铜灵在提高反式钙钛矿太阳能电池性能的研究

近年来,基于CH_3NH_3PbX_3(X=Cl,Br,I)结构的钙钛矿太阳能电池由于其简单的制作工艺和较高的光电转化效率而吸引了大量的研究。在反式钙钛矿电池活性层中使用浴铜灵(BCP)来提高电池光电性能。使用溶液法旋涂BCP有效地把Ag电极的功函从原来的-4.23 e V降低到了-4.12 e V,改善了电子的传输和Ag电极收集电子的效率。从而提高了反式钙钛矿电池的短路电流密度和填充因子。光电转化效率由10.3%提高到12.6%。使用BCP的钙钛矿电池的稳定性也有约10%的提高。结果证明,使用BCP有利于提升反式钙钛矿电池的性能,对实现这类太阳能电池的商业化应用起到推动作用。