CsPbBr3量子点辅助结晶制备高效钙钛矿太阳能电池

钙钛矿活性层是钙钛矿太阳电池中的重要组成部分,其成膜质量影响着钙钛矿太阳能电池的器件性能.该文介绍了一种晶体种子辅助钙钛矿薄膜结晶的方法,即在PbI2溶液中预先引入少量的CsPbBr3量子点作为种子晶体,诱导钙钛矿的自下而上结晶,促使形成高质量的钙钛矿薄膜.扫描电子显微镜结果显示,CsPbBr3量子点引入后,钙钛矿薄膜形貌明显改善,晶粒增大、薄膜针孔消失,这表明了CsPbBr3量子点作为种子晶体能够促进钙钛矿薄膜晶粒生长,改善钙钛矿薄膜形貌.高质量的钙钛矿薄膜有助于减少钙钛矿晶界,提升光吸收性能,抑制光生载流子复合,进而提升器件的光电转换性能.最后,将改进后的钙钛矿薄膜组装成太阳能电池,其最佳光电转换效率为20.64%,相应的开路电压为1.08 V、短路电流为24.0 mA·cm^(-2)、填充因子为79.64%.

合成及薄膜制备条件对CsPbBr3全无机钙钛矿量子点特性的影响

通过对不同合成条件与制备参数的量子点及其薄膜进行一系列特性表征,实现铯铅溴量子点(CsPbBr3)合成条件和薄膜制备参数的优化。利用热注入的方法,研究了反应温度与反应时间对CsPbBr3量子点特性的影响。设计并获得了不同合成条件下的CsPbBr3量子点样品,并对所有样品进行了特性表征。随后将所有CsPbBr3量子点样品制备成薄膜,探究其薄膜的光致发光特性。反应温度为180℃、反应时间为5s时所合成的量子点尺寸最小,为9nm;旋涂速度为3000r/min、退火温度为80℃、退火时间为10min时,所制备的薄膜光致发光强度最大。得到了相对最优的CsPbBr3量子点合成条件与CsPbBr3量子点薄膜制备条件。

CsPbBr3钙钛矿量子点微晶的制备及发光性能

为提高CsPbBr 3钙钛矿量子点稳定性并实现具有优良发光性能量子点固体材料的制备,采用高温熔融方法成功地在硼硅酸盐微晶内部制备了CsPbBr 3量子点,得到CsPbBr 3量子点微晶。通过SEM扫描电镜测试分析量子点微晶的形貌特征;通过荧光光谱、CIE色度坐标分析其荧光特性。SEM扫描电镜测试结果表明,在微晶表面及内部均匀分布着粒径为10 nm左右的CsPbBr 3量子点,实现了硼硅酸盐微晶对CsPbBr 3量子点的有效包覆。荧光光谱测试表明,CsPbBr 3量子点微晶表现出宽的激发光谱,且可以在360 nm波长紫外光激发下实现较强的517 nm绿光发射。发射光谱及CIE坐标表明在400℃高温环境下该CsPbBr 3量子点微晶材料仍能保持优异的光学性能。该量子点微晶材料的成功制备为钙钛矿材料在新型固体发光材料领域的发展提供了可能性。

衬底钝化处理对CsPbBr3量子点薄膜发光稳定性影响

钙钛矿量子点因具有发光谱线窄、发光效率高、发光波长可调谐等优异的光学性能,在照明、显示、激光和太阳能电池等领域得到了广泛研究。然而,钙钛矿材料的稳定性问题,一直制约着其在光电器件中的应用。其中,钙钛矿材料在空气中受潮易分解的不稳定性尤为突出,这将严重影响其发光性质。为此,研究人员采用多种手段来改善钙钛矿材料的稳定性。目前,常见的方法是将一些具有疏水性的聚合物材料(例如POSS,PMMA等)引入到钙钛矿纳米晶中,或将钙钛矿纳米晶嵌入到介孔二氧化硅材料中,避免钙钛矿纳米晶暴露于空气中破坏其结构,以此来增强钙钛矿材料的发光稳定性。此外,钝化处理钙钛矿纳米晶表面,也是改善钙钛矿发光稳定性的一种常用方法。这些方法虽然在一定程度上可以改善钙钛矿的发光稳定性,但是在与有机物合成的过程中不免会引入其他有机官能团,介孔二氧化硅的引入,其处理方式相对复杂,而对钙钛矿纳米晶表面的钝化处理会破坏材料的原有结构。以上问题,都会影响钙钛矿的发光性质,不利于其在光电器件中的应用。硅(Si)具有低成本、大尺寸、高质量、导电好等优点,常被选作钙钛矿量子点光电器件的衬底材料。但是,由于Si衬底长时间暴露于空气,其表面易形成一层具有硅烷醇基团(Si—OH)的亲水性薄膜,这将对硅基钙钛矿器件的稳定性产生影响。因此,对Si表面进行钝化处理,破坏其表面Si—OH键,可以降低衬底表面的亲水性,增强疏水性,从而提高钙钛矿材料在器件中的稳定性。本研究使用氢氟酸(HF)对Si衬底表面进行钝化处理,发现钝化处理后的Si衬底表面与水的接触角由50.4°逐渐增大至87.7°,表明Si衬底表面由亲水性逐渐转变为疏水性。利用场致发射扫描电子显微镜(FE-SEM)测试发现,钝化处理后的Si衬底表面变粗糙,并且其表面上的CsPbBr3量子点(CsPbBr3QDs)相对于未处理表面的分散性较好。利用光致发光(PL)光谱研究不同钝化处理时间的Si衬底表面上的CsPbBr3QDs薄膜的发光性质。其中,处理与未处理的Si衬底表面上CsPbBr3QDs薄膜的PL积分强度随功率变化拟合值分别为1.12和1.203,表明其发光机制为激子发光。温度依赖性的PL光谱分析显示,随着温度的升高(10~300K),由于晶格热膨胀使CsPbBr3QDs带隙增大,发光峰位逐渐蓝移。并且,随着衬底钝化处理时间的增加,CsPbBr3QDs薄膜的发光热稳定性逐渐增强,最佳热稳定性可达220K。而时间依赖性的PL光谱则进一步说明,钝化处理后的Si衬底表面CsPbBr3QDs薄膜发光的时间稳定性逐渐增强,最高发光时间稳定性可达15d。因此,通过简单而有效的对Si衬底表面进行钝化处理,可以有效减少了Si表面亲水基团,提高CsPbBr3QDs薄膜的发光稳定性,为增强钙钛矿量子点在光电器件中的稳定性应用提供了新的研究思路。