基团替代调控无铅有机钙钛矿铁电体的极化和压电特性的第一性原理研究

随着可穿戴电子产品要求提升,无毒的有机钙钛矿铁电体成为潜在候选材料.本工作应用第一性原理计算系统研究了无铅有机钙钛矿A-NH_(4)-(PF_(6))_(3)(A=MDABCO,CNDABCO,ODABCO,NODABCO,SHDABCO)的电子态密度、自发极化、弹性特性和压电效应.通过分子动力学和结合能计算发现,有机钙钛矿在室温下具有稳定性且预测其在实验上易于合成.对电子态密度研究发现,A-NH4-(PF6)3的价带主要来自F元素的贡献,价带顶和导带底分别来自取代基团中的元素和N元素的贡献,因此有利于电子-空穴对的分离.依据Born稳定性判据,有机钙钛矿具有稳定的机械性质.除此之外,A位有机阳离子的取代基团可以改变材料中氢键的数量,对总铁电极化的贡献有着明显影响.最后通过压电性能计算,揭示了有机钙钛矿具有良好的压电效果,该效应源于材料引入的有机阳离子增加的材料的柔性.计算结果为后续实验提供了理论基础.

两种金属-有机钙钛矿材料的负热膨胀性质

通过变温单晶X射线衍射和透射电镜实验对2种金属-有机钙钛矿材料[C(NH2)3][Mn(HCOO)3](1)和[(CH2)3NH2][Mn(HCOO)3](2)进行表征,分析了其晶体结构和晶格常数随温度变化的关系,发现2种材料沿c轴方向都表现出负的热膨胀行为,其效应分别为:αc1=-1.2(1)×10^(-5)K^(-1),αc2=-6.1(11)×10^(-5)K^(-1)。采用一种"铰链"结构模型对这2种框架材料的负热膨胀机理进行了详细解释:温度升高会诱导框架中主体和客体铵基之间的氢键长度及键角发生改变,引起钙钛矿框架结构发生变形,进而导致其沿框架对角线方向(c轴方向)的负热膨胀行为。

基于钛金属的柔性有机钙钛矿太阳能电池的制备及特性研究

钛箔具有柔韧性和导电性,致密二氧化钛层可通过钛箔热氧化生成,而二氧化钛层在有机钙钛矿太阳能电池中可以作为电子传输层。本文通过使用钛箔作为支撑材料,设计并制备了柔性有机钙钛矿太阳能电池。其中通过在空气中热氧化钛箔制备致密二氧化钛电子传输层,然后利用溶液旋涂法依次在致密二氧化钛层上制备有机钙钛矿活性层、空穴传输层、透明电极层。研究表明,钛金属有机钙钛矿太阳能电池光生电压可达0.55 V,光生电流4.5 mA/cm2,该研究为制备基于柔性钛箔有机钙钛矿太阳能电池的空芯光纤太阳能电池奠定了基础。

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。

新型高效率和高稳定性钙钛矿/有机集成太阳电池光伏性能研究

钙钛矿/有机集成太阳电池具有宽带隙的钙钛矿活性层吸收高能量的光子,较低能量的光子可以透过钙钛矿层并被窄带隙的有机活性层吸收.即通过引入可见光区的钙钛矿材料和近红外(near-infrared,NIR)有机半导体材料组成的体异质结(bulk heterojunction,BHJ),在保持钙钛矿型器件高开路电压的同时,也可以获得有机电池增强的短路电流密度.将窄带隙有机活性层PC_(20)BDTDPP:PC_(71)BM直接沉积在CH_(3)NH_(3)PbI_(3)上制备成钙钛矿/有机集成太阳电池.CH_(3)NH_(3)PbI_(3)/PC_(20)BDTDPP:PC_(71)BM集成太阳电池可以扩宽钙钛矿的吸收光谱,提高近红外光的吸收利用.结果表明,集成太阳电池的短路电流密度提升到23.90 mA/cm^(2),光响应扩宽到920 nm,外量子效率在可见光区达到85%,在近红外区域(800—900 nm)亦接近55%,器件能量转换效率高达20.30%,最佳器件的积分电流密度和近红外区的外量子效率以及能源转换效率均是目前报导的钙钛矿/有机集成太阳电池中的最高值,在室温25℃和湿度30%的环境下,器件的效率经过350 h以后,下降到初始效率的95%,表现出极佳的器件稳定性.研究结果表明:通过材料组合和器件结构优化来提高钙钛矿太阳电池对于近红外光的吸收,以及提升钙钛矿/有机集成太阳电池性能的策略是一种有效的方法.为将来开发高效率和高稳定性的钙钛矿/有机集成电池提供了理论指导和实验基础.

基于聚合物非富勒烯体系PM6:Y6的钙钛矿/有机集成太阳电池光伏性能优化

通过工艺创新和薄膜优化技术成功制备基于CH_(3)NH_(3)PbI_(3)/PM6:Y6(BTP-4F)的钙钛矿/有机集成太阳电池(IPOSCs).通过添加剂1-8二碘辛烷DIO的调控和热退火处理,极大优化CH_(3)NH_(3)PbI_(3)/PM6:Y6混合薄膜质量和获得层间欧姆接触.与此同时,近红外区有机层的空穴和电子迁移率为8.3×10^(-3)cm^(2)/(V·s)和8.8×10^(-3)cm^(2)/(V·s),可以和可见区钙钛矿层的空穴和电子迁移率相匹配,实现在微观通路上达到载流子运输平衡,导致器件具有高短路电流密度Jsc和高填充因子FF.另外,通过优化聚合物非富勒烯体系PM6:Y6质量比例混合成膜,使得薄膜中的非辐射复合位点密度和载流子复合明显减少,使得电子和空穴的提取和传输更加高效,能够提供更大的驱动力来改善载流子传输,同时形成更宽的耗尽区来抑制载流子复合以提高器件的开路电压Voc.优化的集成太阳能电池的短路电流密度提升到25.88 A/cm^(2),开路电压Voc增加到1.18 V,填充因子FF达到80%,光响应扩宽到950 nm,外量子效率在可见光区达到90%,最佳能量转换效率高达24.42%,这是目前报道的IPOSCs中的最高效率之一.结果表明,通过可见区材料和近红外区聚合物非富勒烯体系材料组合和器件结构优化来增强钙钛矿太阳电池对于近红外光的吸收,从而提升IPOSCs性能是一种有效的手段和方法.为将来开发高效率IPOSCs奠定了实验工艺和构建理论基础.

钙钛矿太阳能电池界面缺陷及其抑制方法

目前,绝大多数高效有机-无机卤化物钙钛矿(OIHP)太阳能电池都是由多晶钙钛矿薄膜构成,这些多晶薄膜表面或晶界往往含有大量的缺陷,将导致光生载流子发生非辐射复合,并诱导OIHP材料分解,从而使器件的光电转换效率(PCE)和稳定性降低。本综述分析了钙钛矿太阳能电池的缺陷类型及缺陷对钙钛矿太阳能电池(PSCs)性能的影响,详细介绍了通过钝化电极与传输层,或传输层与钙钛矿层间的界面缺陷以获得更高效率和高稳定性的钙钛矿太阳能电池方面的研究进展,展望了钝化分子的设计思路及钙钛矿光伏商业化应用所面临的挑战。

钛金属空芯光纤有机钙钛矿太阳能电池的设计、制备及其特性研究

优化太阳能电池的结构设计可提高太阳能电池对光的捕获能力。本研究工作设计并制备了结构为钛/致密二氧化钛/介孔二氧化钛+有机钙钛矿/空穴传输层/聚合物透明电极层的有机钙钛矿空芯光纤太阳能电池。对不同光照强度和光入射角度下电池光生电流和电压的分析表明,空芯光纤结构较平面结构电池在光捕获能力方面有所提升,光照强度在0-20 000lux范围内光生电压近似以对数函数形式增加;平行光入射钛金属空芯光纤有机钙钛矿太阳能电池时,入射角度在30°-50°时达到入射光量与反射次数的平衡,此时光生电压及电流达到较大值。

基于有机金属卤化物钙钛矿材料的全固态太阳能电池研究进展

作为太阳能电池的光吸收剂,有机金属卤化物钙钛矿材料不仅具有高效的光吸收能力和载流子迁移率,还具有独特的双极性特征,能同时传输电子和空穴,使其成为优异的光伏材料,掀起了基于钙钛矿材料太阳能电池的研究热潮。介绍了近几年来基于有机金属卤化物钙钛矿材料的全固态太阳能电池的发展情况,总结了有机金属卤化物钙钛矿材料的结构和特性,对目前几类典型的钙钛矿太阳能电池进行了讨论,并展望了全固态钙钛矿太阳能电池的产业化应用前景。

有机无机钙钛矿薄膜的间歇式退火和光电性能

为了改进空气环境条件下有机无机钙钛矿薄膜的制备工艺,开发了一种间歇式退火(intermittent annealing,IA)方法,以制备高质量无针孔的钙钛矿薄膜,优化光电性能.采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X射线衍射谱(X-ray diffraction,XRD)、紫外可见吸收(ultraviolet-visible,UV-Vis)光谱、光致发光(photoluminescence,PL)光谱等表征,系统比较了在空气环境条件下反溶剂一步法旋涂制备钙钛矿薄膜工艺中,普通退火(traditional annealing,TA)方法和间歇式退火方法处理得到的卤化铅甲胺有机钙钛矿薄膜的形貌、结构和光电性能.结果表明,对于MAPbI_3、MAPbIBr_2和MAPbI_2Br钙钛矿材料,采用间歇式退火方法制备的薄膜均匀致密无针孔,晶粒尺寸显著增大,薄膜结晶性提高,在可见光范围内光吸收能力更强.在空气环境下所得间歇式退火制备的MAPbI_3太阳能电池器件在AM 1. 5的模拟太阳光下,光电转换效率可达11. 5%(有效面积0. 24 cm^2),而在空气环境下以普通退火方法制备的器件的光电转换效率为8. 9%,间歇式退火样品的光电转换效率有大幅度提高.

太赫兹时间分辨系统研究有机卤化物钙钛矿薄膜的超快太赫兹调制（英文）

研究了利用太赫兹时间分辨系统研究有机卤化物钙钛矿薄膜(CH_3NH_3PbI_3 and CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x)的皮秒尺度的超快太赫兹调制特性.在光激发作用下出现了太赫兹透射波的瞬时下降.相比于CH_3NH_3PbI_3薄膜,在光激发作用下CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜展现了更高的调制深度(10%).通过测算材料的电导率及载流子浓度,其调制机理为瞬态光激发载流子浓度上升.实验结果表明,CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜可作为一种高效超快太赫兹调制器件.

含Fe(Ⅲ)离子有机-无机层状类钙钛矿杂合物修饰电极对对苯二酚的电催化作用及测定

以酚藏花红为有机层、含三价铁的K3Fe(CN)6为无机层在空气中合成了有机-无机层状类钙钛矿杂合物修饰碳糊电极。利用扫描电镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)对其表面形貌和微观结构进行表征,并用循环伏安法研究了杂合物修饰电极的电化学性质,发现该电极对对苯二酚具有良好的电催化作用。结果表明,在pH5.0的PBS缓冲溶液中,对苯二酚在空白碳糊电极上为二步还原过程而在修饰电极上只有一步还原过程,修饰电极更有利于检测对苯二酚。采用微分脉冲伏安法在-0.4～0V电位范围内进行扫描,在-240.2mV处的还原峰电流与对苯二酚浓度在1.0×10-6～1.0×10-3mol/L范围呈良好的线性关系,相关系数为0.9951,检出限为4.73×10-7mol/L。对1.0×10-5mol/L的对苯二酚连续测定5次,相对标准偏差为1.8%。模拟样品中对苯二酚的平均加标回收率为102%。

有机-无机钙钛矿作为有源层的薄膜晶体管制备

利用有机-无机杂化钙钛矿材料兼有机材料的易加工性和无机半导体优异的载流子迁移率的特点,采用有机-无机杂化MAPbI 3材料制备薄膜晶体管的有源层。利用两步旋涂法,通过控制MAI溶液的浓度定量化控制成膜,制备薄膜晶体管有源层。由该层组成的有机-无机杂化MAPbI 3钙钛矿型的薄膜晶体管具有明显的电场效应,场效应迁移率可达到0.97 cm^2/(V·s),工艺简单、加工温度低,而且适用于柔性显示。

高效稳定有机-无机钙钛矿太阳能电池

有机-无机杂化钙钛矿材料具有可调的带隙、较高的消光系数、较低的激子束缚能和双极性电荷传输等优点,适用于制备钙钛矿太阳能电池。2009年以来,这种钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%增长到22.1%,远高于多晶硅太阳能电池的光电转换效率,具有十分广阔的应用前景。但目前实验室制备的钙钛矿太阳能电池还存在稳定性问题。本文主要阐述了有机-无机钙钛矿太阳能的发展现状,提高光电转换率的途径和原理,并介绍使之稳定的可能性及方法。

有机金属卤化物钙钛矿薄膜中的光诱导载流子动力学和动态带重整效应

近年来有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点,引起了学术界和产业界的广泛关注,其优异的光电特性逐渐在能源领域展现出独特的优越特性.在短短几年内,有机-无机混合物钙钛矿太阳能电池的能量转换效率已经高达23%,发展速度逐步赶上甚至超越了成熟的硅太阳能电池.本文利用飞秒瞬态吸收光谱,对二步法制备的(5-AVA)_(0.05)(MA)_(0.95)PbI_3和(5-AVA)_(0.05)(MA)_(0.95)PbI_3/Spiro-OMeTAD有机-无机卤化物钙钛矿薄膜材料的激发态动力学进行了对比研究,详细讨论了两种薄膜样品中的电荷载流子产生与复合机制.通过紫外-可见吸收光谱测得钙钛矿薄膜(5-AVA)_(0.05)(MA)_(0.95)PbI_3和(5-AVA)_(0.05)(MA)_(0.95)PbI_3/Spiro-OMeTAD的吸收光谱与CH_3NH_3PbI_3钙钛矿薄膜材料的双价带结构相对应.从瞬态吸收光谱中,观察到760 nm附近的光致漂白信号,此时的载流子复合过程符合二阶动力学过程,而在约550—700 nm光谱范围内则是光诱导激发态吸收信号.实验结果表明,(5-AVA)_(0.05)(MA)_(0.95)PbI_3钙钛矿薄膜样品中光生载流子主要的弛豫途径是自由电子和空穴的复合.抽运光激发样品使价带中的电子跃迁到导带,随着延迟时间的增加,电子和空穴复合,光谱发生红移现象.所观察到的带重整效应可以根据Moss-Burstein效应解释.相比较而言,(5-AVA)_(0.05)(MA)_(0.95)PbI_3/Spiro-OMeTAD钙钛矿薄膜样品在光激发后电子和空穴分离,空穴迅速转移到空穴传输层,这将导致样品吸收度增加,漂白信号快速恢复,电子-空穴的复合不再对漂白信号的弛豫动力学起主导作用,同时也削弱了带重整现象.本文的实验结果对半导体有机-无机金属卤化物钙钛矿薄膜在光伏领域的应用具有重要意义,为今后高效、稳定的钙钛矿太阳电池的研究提供了参考.

钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池研究进展与展望

钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池是以钙钛矿相有机金属卤化物作为吸光材料的薄膜太阳电池,因制备工艺简单、成本低廉、能量回报周期短以及光电转换效率高等优点而备受科学家的青睐。在钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池研究发展的短短5年时间内,其光电转换效率已从最初的3.8%迅速上升到20%以上,超过了非晶硅、染料敏化、有机太阳电池等新一代薄膜电池历经10多年研究的成果。为了进一步提升效率,以期获得实际应用,钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池的工作机制、新材料、温和制备工艺和稳定性是研究者们最为关注的研究方向。解决这些问题,对钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池今后的发展起着指导和借鉴作用。介绍了钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池的结构及其工作原理,对国内外钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池的研究进行了总结和分析,指出了目前钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池研究的不足,并对其未来的研究提出了一些建议。

浅析有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池稳定性的研究

有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池近几年来发展迅速,其器件认证光电转效率已达22.1%。同时,这类电池具有成本低廉、能量回收期短等优势,有望实现商业化应用。然而,钙钛矿吸光层本身在湿度较大、温度较高及光照等条件下不稳定,并且与其他功能层组装成器件时易引发电极腐蚀、深缺陷态等问题,使得器件不稳定性加剧。越来越多的文献报道了提升器件稳定性的方法,主要集中在:(1)从成分优化方面提升钙钛矿吸光层的稳定性;(2)从器件结构优化方面提升器件的稳定性。在成分优化方面,科研者们主要从钙钛矿ABX_3结构成分、结构维度和保护层的使用等角度提升钙钛矿材料的稳定性。(1)在满足容差因子t或八面体因子μ的条件下,将甲脒离子、铯离子等疏水或耐热基团引入ABX_3结构的A位中,而X位掺入溴离子或硫氰根离子能提升钙钛矿材料的抗湿性,或者整合单一位置优势得到混合位Cs_x(MA_(0.17)FA_(0.83))_(100-x)Pb(I_(0.83)Br_(0.17))_3不仅能提升材料的热稳定性,而且可使器件的转换效率提高至21.1%。(2)较低结构维度(主要为二维)钙钛矿材料的研究也获得了一定的进展,例如制得的BA_(0.05)(FA_(0.83)Cs_(0.17))_(0.95)Pb(I_(0.8)Br_(0.2))_3材料的湿度和光照稳定性优异。(3)疏水性能好、电荷传输能力优异的保护层如丁基膦酸4-氯化铵或苄胺等同样可增强钙钛矿吸光层的稳定性。在器件结构优化方面,研究者们分别从电子传输材料(如二氧化锡、镧掺杂锡酸钡等)、空穴传输材料(如CuGaO_2、酞菁铜等)和上电极(碳、铜等)等角度提升器件的稳定性。其中,(1)紫外光催化活性差、电子迁移率优异、能带结构适宜的镧掺杂锡酸钡组成的器件展现了优异的光照稳定性。(2)由化学和热稳定性优异的酞菁铜组成的器件也获得了良好的热稳定性和17.5%的转换效率。(3)优化上电极方面,将碳电极应用到大面积器件上时,器件呈现了良好的湿度和光照稳定性;而铜电极替换金或银电极时,器件的光电转换效率同样超过20%,并且其热和光照稳定性良好。本文主要从钙钛矿吸光层材料成分和器件结构两大角度梳理了关于提升器件稳定性的研究现状,分别对钙钛矿吸光层ABX_3的组分、钙钛矿材料的结构维度、其他功能层等优化方面提升器件稳定性的工作进行了综述。最后,结合现有的研究成果展望了有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的发展趋势。

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。

复合钙钛矿太阳能电池电荷传输层材料研究进展

有机无机复合钙钛矿太阳能电池因具有适合的载流子扩散长度而成为备受关注的有望获得高效率的光伏器件。复合钙钛矿材料本身不含贵金属元素,可以采用液相法或物理气相法低温制备,成本低廉,但目前应用最多的电子传输层材料TiO2需400~500℃煅烧,与柔性基底及低温制备技术适应性差;空穴传输层材料SpiroOMeTAD合成工艺复杂,价格高昂,限制了复合钙钛矿太阳能电池的开发应用。开发和研究导电性好、成本低、稳定性好的电子和空穴传输层材料是复合钙钛矿太阳能电池研究中的一个非常重要的方面。综述了复合钙钛矿太阳能电池中电荷传输层材料的研究进展及发展方向。电子传输层材料方面通过对TiO2的改性以及与石墨烯的复合,采用ZnO、石墨烯或PCBM作为电子传输层材料,以与柔性基底及低温制备技术相适应。空穴传输层材料方面,采用其它低成本、导电性高的有机p型半导体替代spiro-OMeTAD;采用无机空穴传输层材料以避免有机空穴传输层材料的老化问题,提高电池的长期稳定性;利用复合钙钛矿材料兼作吸收层与空穴传输层,制备无空穴传输层材料结构电池以降低成本,提高稳定性。

CH3NH3PbIxCl3-x钙钛矿复合石墨烯光电探测器的制备与性能研究

石墨烯是一种新型二维薄膜材料,因其优异的物理性能和应用价值被广泛关注。但是由于石墨烯较低的光吸收率使得其制备的光电探测器性能无法满足实际应用的要求,将石墨烯与CH_3NH_3PbI_xCl_(3-x)钙钛矿复合,既可以弥补石墨烯光吸收率低的缺陷,同时又可以充分利用石墨烯电导率高的优点,采纳钙钛矿材料宽吸收波段的优点,制备出一种性能优化的光电探测器,获得的探测器光响应率达到0.66 A/W,比单层石墨烯光电探测器提高至3倍以上。