辛胺和甲基苯烯酸甲酯对CH3NH3PbI3 纳米晶稳定性能的研究

有机-无机杂化钙钛矿材料CH3NH3Pb I3是一种具有量子阱结构的新型材料,在发光二极管、场效应晶体管等诸多领域有着广泛的应用。在此类材料中,封装分子的比例直接影响着钙钛矿纳米晶体的形态结构以及荧光特性。首先选定辛胺为CH3NH3Pb I3纳米晶所需的封装分子,并确定辛胺的最佳用量,然后重点考察甲基苯烯酸甲酯(MMA)对CH3NH3Pb I3纳米晶稳定性能的影响,并采用紫外-可见吸收光谱法、光致发光光谱法、X射线衍射仪、扫描电子显微镜等手段对材料进行分析。研究表明,MMA可以有效缓解CH3NH3Pb I3的分解,添加量为400μL时制得的CH3NH3Pb I3纳米晶稳定性最佳,荧光持续时间由5 d增加到9 d。     

溴掺杂CH_3NH_3PbI_3薄膜及其钙钛矿太阳能电池性能研究

有机-无机铅基卤化物钙钛矿杂合物CH_3NH_3PbI_3作为光吸收材料被广泛应用于太阳能电池中,取得了较高的光电转换效率。基于此,在CH_3NH_3PbI_3基础上对I位进行Br掺杂,采用一步溶液法制备了一系列CH_3NH_3Pb(I_(1-x)Br_x)_3薄膜,研究了溴掺杂对CH_3NH_3PbI_3薄膜物相结构、微观形貌、吸光性能及光电转换性能的影响。结果表明,随着Br掺杂量x由0增加到1,常温下其物相结构逐渐由四方相转变为立方相,并且薄膜在TiO_2纳米柱衬底上的覆盖率逐渐提高,其在可见光及近红外区域内的吸光范围逐渐变窄,其光学带隙由1.59 eV逐渐过渡到2.23 eV。以CH_3NH_3Pb(I_(1-x)Br_x)_3薄膜制备成FTO/BL(blocking layer)-TiO_2/NR(nanorods)-TiO_2/CH_3NH_3Pb(I_(1-x)Br_x)_3/sprio-OMe TAD/Au结构的钙钛矿太阳能电池,发现随着Br掺杂量的增加,太阳能电池的短路电流减小,开路电压增大,填充因子增大,光电转换效率减小。     

钙钛矿太阳能电池ABX_3层研究进展

有机-无机杂化钙钛矿(ABX_3)太阳能电池光电转化效率自2009年3.8%增长到目前的22.1%,从而获得了基础研究和应用领域科学家的广泛关注。由于钙钛矿材料具有合适且可调的带隙、较强的光吸收、较高的载流子迁移率等优良的光电性能,使其在光电领域的应用更加广泛。本文首先介绍了钙钛矿太阳能电池的发展历程、器件结构的演变过程以及基于钙钛矿太阳能电池ABX_3层材料制备与改进的最新工作进展,并详细综述了对钙钛矿晶体的A位、B位以及X位分别采用不同的离子进行替换、掺杂,发现不同的掺杂工艺对钙钛矿太阳能电池影响各异。此外,我们认为深入研究钙钛矿的相转变和稳定性将有利于获得高效的太阳能电池,有助于理解其工作机理。     

添加剂对钙钛矿太阳能电池性能的影响

为了钝化甲胺铅碘(CH3NH3PbI3)钙钛矿薄膜表面的缺陷,在PbI2前驱液中引入氨基锂(LiNH_2)作为添加剂制备钙钛矿电池器件,对其电学性能、表面形貌、结晶性、紫外可见光谱和荧光光谱进行测试分析,考察不同质量分数LiNH_2对钙钛矿太阳能电池性能的影响。结果表明:LiNH_2含有孤对电子,能够钝化钙钛矿缺陷,有利于光生激子的解离,提高器件的光电效率及稳定性;当LiNH_2质量分数为2%时获得了最优的器件性能,与无添加剂的器件相比,钙钛矿电池器件的开路电压(Voc)从0.96 V提升至1.00 V,短路电流(Jsc)从18.47 mA/cm~2增加至20.24 mA/cm2,填充因子(FF)从0.53提高到0.63,光电转换效率(PCE)由9.4%提升至12.6%,器件没有回滞现象。     

N,N-二(三甲基硅基)-氨基-氯代二甲基硅烷的合成工艺改进

以正己烷为溶剂,六甲基二硅氮烷((Me3Si)2NH)与二甲基二氯硅烷((CH3)2SiCl2)在正丁基锂的催化下常温发生反应,合成N,N-二(三甲基硅基)-氨基-氯代二甲基硅烷.反应经正交实验确定正丁基锂的最佳浓度是1.5 mol/L,反应物最佳摩尔比n((Me3Si)2NH)∶n((CH3)2SiCl2)为0.83∶1,溶剂正己烷的体积为140 mL,产品的最高产率达74.81%,并经IR和1H-NMR表征结构.     

有机/无机杂合物(CnH2n+1NH3)2PbX4的表征

合成了具有层状钙钛矿结构的有机/无机杂合物(CnH2n+1NH3)2PbX4 (其中X=Cl,Br,I;n=2,4,6,8,10),采用X射线衍射对产物的结构进行了表征,结果表明,层间距d值随着有机组元中碳链长度的增加而增加,而卤素阴离子的半径大小对层间距的影响较小.采用红外光谱对产物(C6H13NH3)2PbI4的结构进行表征,结果表明在产物中已经引入了有机组分正己胺,但可能由于胺基质子化的影响,使其结构与自由的C6H13NH2相比具有不同的特征.     

能源与环保

正我国二维钙钛矿太阳能电池研究取得进展中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室与陕西师范大学的研究人员合作,在二维(2D)钙钛矿太阳能电池研究领域取得了新进展,有助于推动钙钛矿太阳能电池的商业化应用。与3D钙钛矿电池材料相比,2D有机无机杂化钙钛矿材料拥有可调的光电性能和优异的环境稳定性。但由于2D钙钛矿材料存在吸收系数低、电荷传输能力差和激子结合能大等问题,导致其光伏性能差,电池效率较低。研究人员通过在2D(BA)_2(MA)_3Pb_4I_(13)钙钛矿材料     

电泳沉积制备TiO2纳米片作为钙钛矿太阳电池缓冲层

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池自诞生以来,经过十几年的探索与发展,其认证效率由最初的3.8％发展为25.2％.界面问题一直是提升器件光电转换效率的关键.利用电泳沉积法制备TiO2薄膜,以TiO2纳米片为缓冲层制备钙钛矿太阳电池,研究TiO2缓冲层对钙钛矿太阳电池(PSCs)的光电转换效率及载流子运输的影响.结果表明,相对于未加入缓冲层的PSCs,电池的光电转换效率由10.78％提升至12.71％.TiO2缓冲层的加入有效地改善了界面接触问题,降低了电荷转移时的电阻,促进了载流子的运输,明显提高了钙钛矿太阳电池的光伏性能.     

层状类钙钛矿有机-无机杂合物(CnH2n+1NH3)2SnI4的第一性原理研究

用第一性原理方法,计算了空间群分别为Pbca和P21/a的杂合物(C4H9NH3)2SnI4、(C12H25NH3)2SnI4。计算结果表明,费米面附近的能带来自无机元中各原子的原子轨道,无机元的结构直接决定了带隙的大小,其中桥位碘连接的Sn—I—Sn键角对带隙大小有明显影响,该键角偏离180°幅度越大,带隙就越大。有机元的原子轨道对费米面附近的能带无贡献,不直接对带隙产生影响。但有机元对无机元有模板作用,不同有机元的氨基头与无机层之间的夹角不同,与无机层中的碘原子形成不同氢键。氢键的大小与方向会引起Sn—I—Sn键角的变化,从而间接地改变带隙。     

有机／无机杂合物（CnH2n＋1NH3）2PbX4的表征

合成了具有层状钙钛矿结构的有机/无机杂合物（CnH2n＋1NH3）2PbX4（其中X—Cl,Br,I;n=2,4,6,8,10）,采用X射线衍射对产物的结构进行了表征,结果表明,层间距d值随着有机组元中碳链长度的增加而增加,而卤素阴离子的半径大小对层间距的影响较小．采用红外光谱对产物（C6H13NH3）2PbI4的结构进行表征,结果表明在产物中已经引入了有机组分正己胺,但可能由于胺基质子化的影响,使其结构与自由的C6H13NH2相比具有不同的特征．     

甲胺基铅卤钙钛矿单晶探测器在紫外光下的光电探测性能及稳定性

为了探究甲胺基铅卤钙钛矿MAPbX3(X=I, Br, Cl)单晶探测器的光电探测性能及稳定性,将利用逆温结晶法制备好的MAPbX_3(X=I, Br, Cl)单晶蒸镀叉指电极,制作成单晶探测器器件,在365 nm和254 nm两种紫外光照射条件下,研究三种单晶器件在不同光强下的探测性能及稳定性。结果表明:在相同电压下,MAPbX_3(X=I, Br, Cl)三种单晶器件的响应率、外量子效率及探测率都随着光强的升高而降低。MAPbI_3稳定性较好,在两种波长下的光暗电流比均为4.9;MAPbBr_3光暗电流比略佳,在365 nm及254 nm波长下分别达到12.2和5.1,然而其稳定性较差;MAPbCl_3稳定性较好,但光暗电流比较低,分别为1.8和1.4。钙钛矿单晶探测器在365 nm及254 nm光照下的光电探测性能可为探测器器件设计及性能优化提供参考。     

NaCl修饰SnO_2/钙钛矿界面的高效钙钛矿太阳能电池

钛矿太阳能电池(PSC)通常由电子传输层(ETL)、钙钛矿光吸收层和空穴传输层组成,而电子传输层/钙钛矿层和钙钛矿层/空穴传输层的界面对钙钛矿薄膜的性质及太阳能电池的性能有较大影响。通过简单的旋涂法,在SnO_2电子传输层上旋涂一层NaCl层,来修饰SnO_2电子传输层与MAPbI_3钙钛矿光吸收层之间的界面。结果表明:NaCl修饰层不仅能提供部分Na~+和Cl~-溶解在钙钛矿前驱体中,辅助钙钛矿结晶,增大钙钛矿晶粒尺寸,而且NaCl能同时与MAPbI_3钙钛矿层和SnO_2电子传输层作用形成Pb—Cl和Sn—Cl键,使界面的化学结合增强,降低界面缺陷态,增强载流子的寿命和传输效率。此外,NaCl修饰层显著降低了电子传输层的功函数,使制得的器件开路电压高达1.141V,太阳能电池最终获得了高达19.49%的光电转换效率。     

静电纺丝制备Zn 掺杂的CsPbI3@PS 复合纤维薄膜

全无机卤化物钙钛矿材料(CsPbX₃, X=Cl, Br, I) 由于其优异的光学性能, 在光电领域具有广阔的发展前景,但全无机钙钛矿量子点对水、空气等外界环境特别的敏感限制了其发展。因此, 提高全无机钙钛矿量子点的稳定性非常重要。通过掺杂Zn²⁺ 取代CsPbX₃中的部分Pb, 进一步包覆聚苯乙烯(PS), 然后利用静电纺丝技术制备出Zn掺杂CsPbI₃@PS 复合纤维薄膜。CsPbI₃纳米晶在聚合物纤维中原位生长, 制得的PS 电纺薄膜不仅具有CsPbI₃ 钙钛矿量子点的荧光性质, 而且其稳定性显著提高, 可保存2 个月仍具有荧光效果, 并且实现其在白光二极管(WLED)器件上的应用。     

ZrO2 与TiO2 介孔薄膜对碳基介孔型钙钛矿太阳能电池的 性能影响

通过旋涂ZrO_2与TiO_2混合浆料,制备钙钛矿太阳能电池介孔层。以孔径较大的ZrO_2/TiO_2混合介孔薄膜(MIX)为基底制备了晶粒较大的甲胺铅碘(MAPbI3)钙钛矿光吸收层。以致密TiO_2薄膜为电子传输层,石墨/碳黑为对电极,制备了钙钛矿太阳能电池。比较了ZrO_2单层介孔、Ti O2单层薄膜、TiO_2+ZrO_2双层介孔与ZrO_2/TiO_2单层混合介孔的钙钛矿太阳能电池的性能。结果表明,用MIX制备的钙钛矿太阳能电池表现出最高的光电转换效率(PCE)和良好的长期稳定性。     

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.     

金属卤化物杂化钙钛矿材料及其光电器件的研究进展

AMX3型卤化物杂化钙钛矿材料因其可见光吸收能力强、发光单色性好、激子束缚能低、载流子寿命长和迁移率高等优异的光电性能,在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等应用领域具有重大商业价值。重点介绍AMX3型卤化物杂化钙钛矿材料及其应用。首先简述了该材料的晶体结构、组成及其光电特性,探讨了其在光电领域有突出表现的原因;然后详细介绍了钙钛矿太阳能电池、发光二极管和光电探测器三种器件的结构、工作原理和研究进展,重点讨论了钙钛矿材料的带隙调节方法;最后指出了钙钛矿器件在商业化道路上所面临的主要挑战。     

Cl、Br掺杂的CH_3NH_3PbI_3钙钛矿材料制备及吸光性能研究

以甲胺盐和卤化物为原料制备CH_3NH_3PbI_3类钙钛矿材料,通过对CH_3NH_3PbI_3进行紫外光谱等测试,研究其结构和吸光性能.结果表明:随着PbI_2和CH_3NH_3I的摩尔比由1∶1到1∶3,CH_3NH_3PbI_3的吸光度增大,但是当接近1∶2时,材料所吸收的波长范围有明显的左移现象,长波方面吸光度有所下降,吸收范围变窄.通过对CH_3NH_3PbI_3进行Cl、Br部分掺杂,合成CH_3NH_3PbI_((3-x))Cl_x和CH_3NH_3PbI_((3-x))Br_x,对掺杂后的材料进行结构表征和吸光性能研究.研究表明:CH_3NH_3PbI_3、CH_3NH_3PbI_((3-x))Cl_x和CH_3NH_3PbI_((3-x))Br_x分别对波长小于800 nm、450 nm和750 nm的光吸收较强.掺杂后的类钙钛矿CH_3NH_3PbI_((3-x))Cl_x和CH_3NH_3PbI_((3-x))Br_x在成膜致密度、光吸收度和稳定性方面优于CH_3NH_3PbI_3.     

水热法制备TiO_2致密层及其在钙钛矿太阳电池中的应用

通过水热法在180℃下制备了三种不同厚度的TiO_2致密层并成功应用于钙钛矿太阳电池。通过场发射扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对TiO_2致密层的形貌、成分及晶型进行表征,并利用电流-电压(I-V)特性曲线和电化学阻抗谱(EIS)研究了TiO_2致密层的厚度对钙钛矿太阳电池光电性能的影响。研究表明:随着TiO_2致密层厚度的增加,钙钛矿太阳电池的转换效率先增加后降低,在厚度为300nm时转换效率较高,为3.31%。     

Bi掺杂BaSnO3电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的全势线性缀加平面波法,对Bi掺杂钙钛矿BaSnO3电子结构进行了第一性原理的研究．研究结果表明：BaSnO3是一种间接带隙材料,带隙值为0．33eV,掺杂前其光吸收和催化能力都很弱,但掺杂后的Ba1-xBixSnO3是一种直接带隙材料;随着掺杂量的增加,其带隙值和晶格常数都减小;费米面都向高能移动,使得介电函数的虚部的峰值大幅度提高,介电损失减小．掺杂提高了Ba1-xBiSnO3的光吸收和催化能力,表明Ba1-xBiSnO3是一种有前景的光学材料．     

基于反萃空转的高效无机钙钛矿太阳电池

铯铅碘二溴(CsPbI₂Br)钙钛矿具备合适的容忍因子与良好的热稳定性,是无机钙钛矿太阳电池的理想材料,而其转化效率低、工艺重复性差的缺陷,阻碍了CsPbI₂Br太阳电池性能的进一步提高．研究CsPbI₂Br无机钙钛矿太阳电池的制备工艺发现,成膜环境对CsPbI₂Br薄膜的均匀性、光学性质及器件性能重复性具有较大影响．提出采用反萃空转辅助生长工艺提升CsPbI₂Br薄膜的晶粒尺寸,提高结晶度,降低缺陷态密度,并获得14. 1%的CsPbI₂Br太阳电池光电转换效率．反萃空转辅助生长工艺降低了周围环境氛围对薄膜质量的影响,提高了器件制备的可重复性．