Ruddlesden-Popper型准二维钙钛矿温度依赖发光光谱研究

准二维Ruddlesden-Popper(R-P)卤化物钙钛矿具有优越的光电特性,在太阳能电池、发光二极管、激光器等光电器件中受到广泛关注,但严重影响载流子的弛豫和传输特性的激子-声子之间的相互作用还未得到充分揭示。与广泛研究的三维钙钛矿结构相比,准二维钙钛矿存在天然形成的量子阱结构,具有更大的激子结合能,激子效应更加明显,但对其激子-声子相互作用的研究仍然较少。因此,我们通过溶液法制备了准二维R-P型钙钛矿(PEA)_(2)Cs_(n-1)Pb_(n)Br_(3n+1)薄膜,其增益系数高达~1090.62 cm^(-1),获得了低阈值(~12.48μJ/cm^(2))的放大自发辐射。基于此,我们通过变温荧光光谱(77~300 K)和瞬态吸收光谱技术研究了(PEA)_(2)Cs_(n-1)Pb_(n)Br_(3n+1)薄膜随温度变化的发光特性,以阐述其内部的激子-声子相互作用对其发光性能的影响。发现在低温域内(77~120 K),由激子-声子相互作用引起的带隙变化相对较弱,晶格热膨胀占主导地位;随着温度升高,激子-声子相互作用对带隙变化产生较大影响。另一方面,激子-声子相互作用会促使发光光谱线宽加宽,但我们在77~120 K的温度范围内观察到了反常线宽变窄现象,这归因于由局域化效应引起的多量子阱中的能量转移机制;直到120 K之后,激子-声子相互作用引起的谱线加宽才足以逆转这一趋势。本文对准二维钙钛矿的激子-声子相互作用的研究对于提高准二维钙钛矿光学性能及其发光应用具有指导价值。

二维有机-无机钙钛矿闪烁体性能研究进展

二维有机-无机钙钛矿材料因具有优良的发光性能被广泛研究,在X/γ/中子射线探测和成像方面有较好的应用前景,其闪烁性能甚至超过了商用闪烁体。本文从射线与物质相互作用原理和二维有机-无机钙钛矿材料的基本发光性质出发,介绍了二维钙钛矿闪烁体相比传统闪烁体的发光优势,综述了其在射线探测领域的最新成果。最后,提出了目前面对的技术挑战和潜在解决方案,并对二维有机-无机钙钛矿闪烁体的未来发展趋势进行了展望。

准二维钙钛矿中结晶调控与低阈值微纳激光器

准二维(Q-2D)钙钛矿由于大的激子结合能和量子限域作用,是一种可以应用于光电器件构筑的有前途的材料。然而,Q-2D钙钛矿是具有丰富晶界和界面的多相结构,在能量传递过程中导致非辐射损耗。本工作通过操纵不同n相的结晶动力学过程,实现了Q-2D钙钛矿中更高效的能量传递。通过在Q-2D钙钛矿前驱体中引入钠离子来实现对Q-2D钙钛矿成核和生长过程的操控。研究表明,钠离子的掺入促进高n相的成核,使不同n相在空间上更均匀地分布,寿命的表征证实该操作促进了能量的转移。得益于这种高效的能量传递过程,与普通薄膜体系的光放大阈值(23.3μJ·cm^(-2))相比,掺杂薄膜的光放大阈值降低至14.3μJ·cm^(-2)。该研究提供了一种有效的优化Q-2D钙钛矿光子学性能的新方法,从而进一步拓宽Q-2D钙钛矿的光子学应用范围。

基于准二维钙钛矿的窄线宽红光电致发光器件性能研究

金属卤化物钙钛矿发光二极管(PeLEDs)具有宽色域和高色纯度,在照明和显示方面有着广阔的应用前景。英国伦敦大学研究团队发表于Scientific Reports的一项开创性研究发现,每天只需暴露在红光下3 min,就能显著缓解视力下降。而钙钛矿的光谱可调性及较高的色纯度都为护眼红光PeLEDs的实现提供了保障。与以往的界面工程、配体工程等不同,本文从结构优化的角度来提升准二维钙钛矿红光PeLEDs的外量子效率(EQE),即结合微腔结构实现线宽更窄的红光电致发光器件。结果表明,将分布式布拉格反射镜(DBR)与PeLEDs相结合,设计并制备的基于微腔结构的高性能PeLEDs在窄化PeLED的电致发光(EL)半高全宽的基础上实现了EQE成倍增长,最大EQE能达到11.26%。相较于同条件下制备的参比器件,具有微腔结构的PeLED器件EL线宽窄化到参比器件的1/3,仅为11 nm。

适用于光伏的新型窄带隙二维双钙钛矿光电性能的第一性原理研究

二维Dion-Jacobson(DJ)型钙钛矿因其具有的优越的电荷输运特性和良好的稳定性而受到广泛关注。然而,二维钙钛矿中铅元素的毒性问题依然制约着钙钛矿太阳能电池的大范围推广应用。提出一种新的二维钙钛矿(BDA)2 AuBiI8,其用一个一价金属Au+和一个三价金属Bi3+取代两个二价金属Pb2+,以获得无铅二维双钙钛矿材料。第一性原理计算证明:二维钙钛矿(BDA)2AuBiI8不仅具有优异的热力学稳定性,而且具有1.54 eV的直接带隙,适合太阳能电池,理论光谱极限最大效率超过30%。发现层间相互作用对能带边缘位置的确定起着重要作用。研究结果表明,DJ型结构和双取代为高效太阳能电池无铅钙钛矿的设计提供了新的方案。

锰掺杂二维钙钛矿(PMA)_(2)PbBr_(4)中的发光性质及能量转移机制

通过锰掺杂,可以调节钙钛矿的发光波长,提高其发光量子产率。在二维钙钛矿(PMA)_(2)PbBr_(4)中引入Mn^(2+)掺杂,研究了(PMA)_(2)PbBr_(4)中Mn^(2+)掺杂的发光性质以及能量转移机制。研究表明,锰掺杂后,原来二维钙钛矿的激子复合发光峰(419 nm)变成了Mn^(2+)轨道^(4)T_(1)→^(6)A_(1)之间的跃迁发光(608 nm),其中发生了有效的能量转移。Mn^(2+)的引入导致晶格一定程度的畸变,进而激子寿命显著降低(从6.51 ns到0.30 ns);同时,由Mn^(2+)带来的发光寿命却对掺杂浓度并不敏感(0.23 ms),这源于此时发光对应于Mn^(2+)对应于4 T1→6 A1之间的跃迁。Mn^(2+)掺杂后,其光稳定性有了明显改善。因此,锰掺杂对于调节二维钙钛矿的发光波长或带宽,提高发光效率是一个有效手段,为二维钙钛矿在白光照明方面的应用提供可能性。

溶液法制备二维钙钛矿层提高甲脒碘化铅钙钛矿太阳能电池稳定性

有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)因优异的光电转换性能被广泛研究,但CH(NH_(2))_(2)PbI_(3)(FAPbI_(3))固有的化学不稳定性阻碍了其长期以来的发展.特别是薄膜表界面处因更低的活化能而具有突出的湿度敏感性,表界面的缺陷与薄膜稳定性具有强相关性,缺陷的处理结果是提高长期稳定性的关键因素之一.除了界面工程,还有在表面叠加二维钙钛矿层的策略用于界面钝化.然而二维钙钛矿层的制备方法多数具有局限性.本文采用全溶液法的制备工艺,通过在FAPbI_(3)钙钛矿表面均匀涂覆丁基碘化铵(BAI)溶液与热退火的后处理方式,驱动了表面二维(2D)钙钛矿的形成,以减少薄膜表界面缺陷,成功制备了混合维钙钛矿太阳能电池.与此同时,2D钙钛矿中长链分子的疏水性本质上提高了钙钛矿层对水分的容忍度.结果表明,含2D钙钛矿层的未封装器件在相对湿度(RH)为60%的室温环境空气中连续工作近1000 h后仍保持初始效率的80%以上.这种方法构建的2D钙钛矿层在不影响载流子传输性能的同时显著提高了薄膜与器件的长期稳定性,符合高质量钙钛矿太阳能电池的要求与发展趋势,是一种极具发展潜力的策略.

二维钙钛矿材料在钙钛矿太阳能电池中的应用进展

钙钛矿太阳能电池出色的光电转换效率和众多的优点使其成为目前的研究热点,而二维钙钛矿作为一类新型材料,具有独特的结构和性质,有望进一步改善钙钛矿太阳能电池的性能。综述了钙钛矿太阳能电池及二维钙钛矿材料的结构特征和性能特点,归纳了二维钙钛矿材料对太阳能电池光电性能和器件稳定性的影响,总结了新型二维/三维复合钙钛矿太阳能电池的特点,分析了二维钙钛矿太阳能电池研究领域存在的问题并展望了未来的研究趋势。二维钙钛矿材料对实现高效、稳定的钙钛矿光伏器件具有重要意义。

准二维钙钛矿(PEA)_(2)(CH_(3)NH_(3))_(2)Pb_(3)I_(10)的发光特性及质量优化后的光稳定性研究

为研究准2D钙钛矿的光学特性和光稳定性,以(PEA)_(2)(CH_(3)NH_(3))_(2)Pb_(3)I_(10)(PMPI_(3))为研究对象,通过物性表征发现PMPI3结构中存在n<3的物质;利用PL光谱及相关拟合计算发现PMPI3薄膜的PL峰会随着温度升高而产生持续蓝移,同时拥有较高非均匀展宽值和很大的纵向光学声子散射的耦合强度,此外在低温和常温条件下显示了不同的幂律系数;通过光衰减变化规律,发现经过适量添加剂MAAc优化后的PMPI_(3)薄膜光稳定性更高。这些现象表明PMPI_(3)是一个多相混合的物质,其内部结构分布着一些n<3的缺陷,从而表现出较为明显的无序性和更多缺陷,同时PMPI_(3)中极化子作为载流子直接参与到了光物理过程。在低温环境下,PMPI_(3)的PL光谱由激子产生,而常温下,则有自由载流子和/或者束缚载流子参与复合过程。添加剂MAAc不仅可以优化PMPI_(3)薄膜质量还能钝化薄膜内的碘离子从而有效提高PMPI_(3)的光稳定性。

CuSCN复合空穴传输层优化高性能二维钙钛矿太阳能电池

研究了P型材料掺杂材料硫氰化铜(CuSCN)对二维(2D)钙钛矿太阳能电池的聚丙烯酰胺(PTAA)空穴传输层性能的影响,发现添加CuSCN可以提高PTAA的空穴传输能力,从而改善器件的电流密度和填充因子。进一步地,探讨了不同掺杂浓度的CuSCN对器件载流子转移过程的影响,与未掺杂CuSCN的基准二维钙钛矿太阳能电池相比,基于2%CuSCN掺杂的空穴传输层的器件具有最佳的性能(最高光电转换效率从10.5%大幅提高到12.9%)。改善的主要原因是短路电流密度(由16.7到18.3 mA/cm^(2))和填充因子(由59.1%提升至66.3%)的显著提高,这说明掺杂CuSCN有利于提高PTAA的空穴传输能力和二维钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

二维Ruddlesden-Popper相钙钛矿太阳能电池研究进展

目前,影响钙钛矿太阳能电池发展的主要因素是弱稳定性和低光电转换效率。Ruddlesden-Popper(RP)相二维(2D)钙钛矿材料具有结晶度高、吸收光谱宽和稳定性良好等特性,已经成为光伏领域研究的热点。RP相2D钙钛矿中有机分子层间通过范德瓦尔斯力可以形成稳定的2D结构,进而克服稳定性问题。截至目前,研究者已经获得了超过18%的光电转换效率。文中对RP相钙钛矿的结构特点进行阐述,对RP相钙钛矿薄膜的典型制备方法进行归纳,总结了不同A′位有机阳离子在提高RP相钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性方面的应用现状,最后对RP相钙钛矿在PSCs中未来可探究方面进行展望。本研究能够为深入理解和提升PSCs性能提供理论支持和实验依据。

利用多氟丙烯酸酯添加剂提升准二维钙钛矿发光二极管性能

准二维钙钛矿由于具有较大的激子结合能和高效的能量转移等优势,在发光二极管(light-emitting diodes,LED)中的应用前景被广泛看好。然而,准二维钙钛矿溶液加工成膜过程中易形成大量的低维相和表界面缺陷,引起严重的非辐射复合,成为限制发光二极管器件性能的瓶颈。在本工作中,通过在PEA2Cs2Pb3Br10钙钛矿前驱体中加入1,6-二(丙烯酰氧基)-2,2,3,3,4,4,5,5-八氟己烷(OFHDODA)小分子添加剂,将钙钛矿薄膜的荧光量子效率(Photoluminescence Quantum Yield,PLQY)从19.7%提升到了49.0%,发射波长从508 nm红移到511 nm。这主要归因于OFHDODA与钙钛矿之间的物理化学相互作用有效抑制了非辐射复合,一方面多氟结构与PEA+之间的氢键相互作用调控了结晶动力学,抑制了低维相的产生;另一方面酯基具有较强的路易斯碱性,钝化了表界面未饱和Pb2+缺陷。相应地,准二维钙钛矿LED的外量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)从8.55%提高到了13.76%。这项工作为设计新型多功能小分子添加剂,抑制准二维钙钛矿中的非辐射复合损失提供了思路。

准二维钙钛矿超快动力学的研究进展

基于三维有机-无机杂化钙钛矿光电转换材料制备的光电器件的环境稳定性较差,严重阻碍了其大规模商业应用,准二维钙钛矿有望解决这一问题.准二维钙钛矿打破了三维钙钛矿结构上的对称性,突破了容忍因子的限制.此外,材料的激子结合能较大,表现出较强的量子和介电限域效应,拥有特殊的载流子动力学和光物理特性.目前准二维钙钛矿光电转换器件的效率仍然与三维钙钛矿相差较大,因此必须对其内部的超快动力学和物理机制进行深入研究,为进一步优化器件性能提供指导.总结了准二维钙钛矿光电转换器件的研究进展,归纳了准二维钙钛矿的俄歇复合、能量转移和电荷转移等超快动力学特性,分析了准二维钙钛矿光电转换器件目前面临的问题并对其未来的研究趋势进行了展望.

铯掺杂提升反梯度结构二维(CMA)_(2)MA_(8)Pb_(9)I_(28)钙钛矿薄膜及太阳电池的性能

相对于3D钙钛矿材料,二维(2D)有机-无机杂化钙钛矿材料具有更好的稳定性.然而由于载流子输运性差,2D钙钛矿太阳电池效率较低.为了提高2D钙钛矿太阳电池的效率,制备了铯掺杂的具有反梯度结构的二维(CMA)_(2)MA_(8)Pb_(9)I_(28)薄膜.研究结果发现:CsI掺杂能够改善(CMA)_(2)MA_(8)Pb_(9)I_(28)薄膜的形貌、增加晶粒尺寸、降低缺陷态密度,并且提高了(CMA)2MA8Pb9I28钙钛矿薄膜的热稳定性.最后,CsI掺杂浓度为10%时制备(CMA)_(2)MA_(8)Pb_(9)I_(28)钙钛矿太阳电池效率最高,达到了14.67%,相对于未掺杂的电池效率(10.06%)提高了45.8%.

乙酸胍表面处理提高纯红光钙钛矿发光二极管性能

金属卤化物钙钛矿材料由于具有优异的光电性质可被用于制作发光二极管,近年来备受关注。钙钛矿表面和钙钛矿/传输层的界面处存在大量的缺陷,严重影响器件的性能和稳定性,而对表/界面进行有效的钝化处理是减少界面缺陷、提升器件性能的可行途径。本文报道了一种在萃取剂中添加乙酸胍的表面处理策略,可有效地减少钙钛矿层表面缺陷,改善薄膜形貌,进而将钙钛矿薄膜的荧光量子产率从64%提升到79%。基于乙酸胍表面处理的钙钛矿薄膜制备的发光二极管,最大效率可达11.66%,最大亮度达1285 cd·m^(-2),明显优于未处理的参考器件(6.69%,689 cd·m^(-2)),同时也展现出更好的稳定性。该研究提供了一种有效的钙钛矿表面处理策略,可以提高钙钛矿发光二极管的性能和稳定性。

微波热冲快速制备二维多孔La_(0.2)Sr_(0.8)CoO_(3)钙钛矿用于高效电催化析氧反应

析氧反应(OER)被认为是电解水的关键限制步骤,已被广泛作为清洁能源方式用于解决能源和环境问题。钙钛矿氧化物(ABO_(3))具有可调的电子结构、高灵活性的元素组成,能在OER中表现出良好的催化活性。然而,钙钛矿氧化物的合成通常需要经历长时间的高温,极易导致金属的聚集和影响材料的本征活性。气相微波技术可以显著缩短热处理时间,从而减少相关的碳排放。这项技术不仅解决了对碳中性过程日益增长的需求,而且还增加了对合成的控制,以避免产品的不良团聚。本文采用微波热冲法快速制备了二维(2D)多孔La_(0.2)Sr_(0.8)CoO_(3)钙钛矿。伴随微波过程的快速熵增可以有效地暴露La_(0.2)Sr_(0.8)CoO_(3)结构中丰富的活性位点。此外,高能微波冲击过程可以精准地将Sr2+引入到LaCoO_(3)的晶格中,通过增加Co的氧化态来增加氧空位量。这种锶元素取代镧引入的氧空位能极大提高催化剂的本征催化活性。对于碱性电解液中的OER应用,制备的La_(0.2)Sr_(0.8)CoO_(3)在10 m A·cm^(-2)下展现出了360 m V的过电位,Tafel斜率为76.6 mV·dec^(-1)。且在经历30000秒的长时间循环测试后仍能维持初始电流密度的97%。这项研究为高活性二维钙钛矿的合成提供了一种简便、快速的策略。

基于二维钙钛矿的复合型白光LED研究

二维钙钛矿的宽带发射引起了人们对单组分白光二极管的兴趣。二维钙钛矿(PEA)_(2)PbBr_(2)Cl_(2)和(C_(6)H_(18)N_(2)O_(2))PbBr_(4)具有软晶格特性,因而能产生很强的光声耦合作用,使得受激产生的电子–空穴对(激子)很容易引起晶格畸变从而被晶格捕获,形成自陷激子(self-trapping excitons,STEs),发射出全光谱白光。研究表明:这2种材料的半高全宽可以达到232nm和194nm;斯托克斯位移分别为182nm和198nm;荧光寿命为9.812ns和13.465ns。它们在CIE色度图上坐标分别为(0.36,0.40)和(0.40,0.44),显色指数(color rendering indexes,CRI)为86.93和82.23。基于这2种钙钛矿,结合商用的紫外LED,制成的复合型LED色温在5000 K左右,为设计单组分白光二极管提供了新的思路和方法。

4⁃氟苯乙胺基准二维钙钛矿的合成及其电致发光与激光性能

设计并开发了一种兼具电致发光和光学增益性能的准二维钙钛矿材料。通过向三维钙钛矿CsPbBr3中引入大体积阳离子4-FPEA+(4-氟苯乙胺),利用简易的溶液旋涂法,制备了不同n值量子阱混合分布的准二维钙钛矿薄膜。通过紫外可见吸收光谱和光致发光光谱证明调整4-FPEA+的添加量可以对量子阱的分布进行有效调控。结合扫描电子显微镜和原子力显微镜证明4-FPEA+的加入可以降低薄膜表面粗糙度。当4-FPEA+和CsPbBr3的物质的量之比为0.6时,薄膜的发光强度最高。将该材料应用在发光二极管(light emitting diodes,LEDs)中,结合冠醚作为添加剂辅助钝化缺陷,实现了外量子效率(EQE)为0.98%的绿光LED器件。在激光性能方面,该材料在室温条件下的最低阈值为17.42μJ·cm^(-2),增益系数为35 cm^(-1)。

基于芳香族配体的二维钙钛矿太阳能电池研究进展

近年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率得到了快速的发展,目前已经获得25.7%的认证效率,可与硅基太阳能电池相媲美。然而,PSCs的稳定性却远不如硅基太阳能电池,这限制了PSCs的使用。与此同时,二维(2D)或准二维钙钛矿材料受到了越来越多的关注,主要是因为大体积有机配体的引入明显地改善了材料的结构和环境稳定性。在2D PSCs领域,有机配体离子的设计和选择会直接影响材料的光电性能和器件的效率。目前,2D PSCs中所使用的有机配体主要分为脂肪族配体和芳香族配体。芳香族配体由于具有较大的介电常数、改善的电荷传输和可调控的组装结构等优点得到越来越多的关注。本文系统地总结了芳香族配体材料对2D钙钛矿性能的影响及其在2D PSCs领域的应用。

基于二维钙钛矿(PEA)_(2)PbI_(4)的光电探测器

二维(2D)钙钛矿以其固有的量子阱结构、较大的激子结合能和良好的稳定性,在光电应用领域中具有广阔的前景。然而,提高二维钙钛矿薄膜质量、降低成本并简化制备工艺仍然面临巨大的挑战。本工作在低退火温度(80℃)且无需其他特殊处理的条件下,采用溶液法制备高质量二维钙钛矿(PEA)_(2)PbI_(4)薄膜,并进一步制备了光电探测器。结果表明,这种光电探测器有较低的暗电流(10^(-11)A),在450 nm光照下具有良好的响应度(107 mA·W^(-1))、较高的探测率(2.05×10^(12)Jones)和快速响应时间(250μs/330μs)。持续控制光照1200 s后,器件可以保持95%的光电流。此外,器件静置30 d后光电流几乎保持不变。本研究为开发稳定和高性能光电器件提供了良好的途径。