有机/无机杂化钙钛矿 （RNH3）2（CH3NH3）m-1PbmI3m+1结构及光电性能的研究

论文摘要

有机/无机杂化钙钛矿材料是由有机分子和无机分子有序自组装形成的、具有量子肼结构的晶体材料。此类材料结合了有机组分功能性、易加工性和无机组分高载流子传输性能、机械稳定性、热稳定性的优点，且在光、电、磁等方向表现出了优异的性能，有很广阔的应用前景。由于IVA族金属（Sn，Pb等）具有特殊的分子轨道特征，使该族金属卤化物的杂化钙钛矿材料具有很好的导电性，因此，这类杂化钙钛矿作为半导体材料，其突出的光电性能一直以来都引起了极大关注并被广泛研究。而二维结构的多层钙钛矿无机片层和不同有机组分对杂化钙钛矿的物理性能具有非常重要的影响，将二维量子阱结构与IVA族金属卤化物良好的导电性相结合，可得到优异的光电学性能及光电转化性能，这使得杂化钙钛矿的研究在光电器件的应用及发展方面有极为突出的价值。本论文选取价廉易得、且在空气中能稳定存在的碘化铅（PbI2）作为无机组分，与四种不同的有机铵盐组分进行复合，通过简单的溶液自组装的方法，合成了一系列杂化钙钛矿，材料（RNH3）2（RNH3）2（CH3NH3）m-1PbmI3m+1(m为无机层层数RNH3+为直链烷基铵阳离子CnH2n+1NH3+（n=4,8,12）或者苯乙铵盐阳离子C6H5C2H4NH3+)，并对其进XRD、UV、PL测试和表征，通过计算及理论分析，系统分析了有机组分或无机层数的变化对杂化钙钛矿材料的晶体结构、能带结构及光致发光特性的调控性。在多层杂化钙钛矿材料合成及表征的基础上，通过旋涂法将杂化钙钛矿(CnH2n+1NH3)2（RNH3）2（CH3NH3）m-1PbmI3m+1（m=1,2,3; n=4,8,12）自组装到TiO2介孔薄膜上，制备了一系列具有―TiO2/杂化钙钛矿‖异质结构的光电导器件，并研究了器件的光电性能及相关光导机理；这类器件具有显著的光电导性能，通过杂化钙钛矿材料不同的无机层层数（m）或者不同的有机链长度（n），可实现对器件的光电导性能的调控和优化。当无机层层数最大（m=3）、有机链长最短（n=4）时，器件ITO/TiO2/TiO2:（C4H9NH3）2（CH3NH3）2Pb3I10/Pt具有最佳的光电导性能，偏压为1V时的光电流密度为2.467mA/cm-2，而光/暗电流密度比（Ji/Jd）可高达约4×104。另外，引入有机半导体CuPc作空穴传输及电子阻挡材料，制备了两种具有“TiO2/杂化钙钛矿/CuPc”异质结构的光伏器件，通过模拟太阳光下的J/V特性及相关吸收光谱的测试，对器件的光伏性能、光电转化机理、能级结构等进行了分析和讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 引言
• 1.2 有机/无机杂化钙钛矿的晶体结构及量子阱结构
• 1.2.1 晶体结构特征
• 1.2.2 量子阱结构
• 1.3 有机/无机杂化钙钛矿材料的制备
• 1.3.1 单晶制备
• 1.3.1.1 溶液冷却法
• 1.3.1.2 蒸发溶剂法
• 1.3.1.3 凝胶法
• 1.3.1.4 层状溶液法
• 1.3.2 薄膜制备技术
• 1.3.2.1 旋涂法
• 1.3.2.2 真空热源沉积
• 1.3.2.3 多层膜技术
• 1.3.2.4 图案化薄膜技术
• 1.4 有机/无机杂化钙钛矿材料的应用
• 1.4.1 发光二极管（LED）上的应用
• 1.4.2 场效应晶体管（FETs）上的应用
• 1.4.3 光伏器件上的应用
• 1.4.4 其他方面的应用
• 1.5 课题研究的目的及意义
• 参考文献
• 第二章 基于碘化铅的有机/无机杂化钙钛矿材料的合成及表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 化学试剂
• 2.2.2 有机胺盐的制备
• 2.2.3 有机/无机杂化钙钛矿材料的制备
• 2.2.3.1 杂化钙钛矿晶体材料的制备
• 2.2.3.2 杂化钙钛矿薄膜的制备
• 2.2.4 表征手段
• 2.2.4.1 X-射线衍射 （XRD）
• 2.2.4.2 紫外－可见吸收光谱 （UV-Vis）
• 2.2.4.3 荧光光谱 （PL）
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 杂化钙钛矿材料的晶体结构分析
• 2.3.2 杂化钙钛矿薄膜的 UV-Vis 吸收光谱分析
• 2.3.3 杂化钙钛矿薄膜的荧光（PL）光谱分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 2复合的光电导器件的研究'>第三章 有机无机杂化钙钛矿材料与 TiO₂复合的光电导器件的研究
• 3.1 引言
• 2/TiO₂:(C_nH_2n+1NH₃)₂（CH₃NH₃）_m-1Pb_mI_3m+1/Pt （m=1,2,3; n=4,8,12） 结构光电导器件的制备'>3.2 ITO/TiO₂/TiO₂:(C_nH_2n+1NH₃)₂（CH₃NH₃）_m-1Pb_mI_3m+1/Pt （m=1,2,3; n=4,8,12） 结构光电导器件的制备
• 3.2.1 纳米 TiO2薄膜介绍
• 3.2.2 ITO 导电玻璃的清洗
• 3.2.3 相对致密的 TiO2缓冲层的制备
• 3.2.4 介孔 TiO2薄膜的制备
• 3.2.5 有机/无机杂化钙钛矿材料在介孔 TiO2膜上的自组装
• 3.2.6 铂电极的制备
• 3.3 表征及光电性能测量
• 3.4 实验结果和讨论
• 3.4.1 无机层数调控器件的晶体结构、光学及光导性能的分析
• 3.4.1.1 器件晶体结构的分析
• 3.4.1.2 光学性能及能带结构分析
• 3.4.1.3 光致发光性能分析
• 3.4.1.4 器件的光导性能分析
• 3.4.2 烷基胺链长调控器件的晶体结构、光学及光导性能的分析
• 3.4.2.1 器件的晶体结构分析
• 3.4.2.2 UV-Vis 吸收光谱分析
• 3.4.2.3 光致发光光谱分析
• 3.4.2.4 器件的光导性能分析
• 3.4.3 光导机理的分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 二维有机/无机杂化钙钛矿作光敏化材料的光伏器件及其性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 太阳能电池简介
• 4.2.1 传统半导体太阳能电池
• 4.2.2 染料敏化太阳能电池
• 4.2.3 有机及有机/无机复合太阳能电池
• 4.3 器件的制备及表征
• 4.3.1 酞菁铜（CuPc）
• 4.3.2 磁控溅射
• 4.3.3 器件制备过程及表征
• 2/TiO₂:(C_nH_2n+1NH₃)₂（CH₃NH₃）_m-1Pb_mI_3m+1/Pt （m=1,2,3）及其性能'>4.4 器件 ITO/TiO₂/TiO₂:(C_nH_2n+1NH₃)₂（CH₃NH₃）_m-1Pb_mI_3m+1/Pt （m=1,2,3）及其性能
• 4.4.1 J/V 特性
• 4.4.2 机理分析
• 2/TiO₂:（C₆H₅C₂H₄NH₃）₂（CH3_NH₃）_m-1Pb_mI_3m+1/CuPc/Pt （m=1,2）及其性能 ...60'>4.5 器件 ITO/TiO₂/TiO₂:（C₆H₅C₂H₄NH₃）₂（CH3_NH₃）_m-1Pb_mI_3m+1/CuPc/Pt （m=1,2）及其性能 ...60
• 4.5.1 器件吸收光谱分析
• 4.5.2 J/V 特性分析
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 硕士期间完成论文及参加会议情况
• 致谢