Sr和Co共掺杂对PrAlO3钙钛矿氧化物的结构和电性能的影响

采用柠檬酸盐法结合高温烧结制备了(Pr,Sr)(Al,Co)O3-δ系列钙钛矿氧化物导电陶瓷。使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和直流四线法等手段对样品的物相、微观结构和电性能进行了表征。结果表明:所制备的Pr0.9Sr0.1Al1-yCoyO3-δ(y=0.1~0.5)陶瓷均为单相菱方钙钛矿结构,在掺杂范围内其晶胞体积、相对密度和电导率都随Co掺杂量y的增加而增大,但电导率的增幅在逐步减小;所有陶瓷样品在空气中都是氧离子与电子空穴的混合导体,电导行为符合小极化子跳跃机制。对于Pr1-xSrxAl0.5Co0.5O3-δ(x=0.1~0.4)陶瓷,当x=0.2时样品有较明显的第二相(Pr,Sr)CoO3析出,说明Sr在该体系的固溶限在10~20at%之间,而且随着x的进一步增加,(Pr,Sr)CoO3增多并成为主相;在测量温度范围内,Pr1-xSrxAl0.5Co0.5O3-δ的电导率随x的增加大体呈现出一个先增大后减小的变化趋势,在x=0.3附近达到一个最大值,当x≥0.2时还可观察到明显的半导体-金属性转变,且转变温度随x的增加而逐渐降低。     

2D钙钛矿太阳能电池的能带调控

经过短短十年的发展,钙钛矿太阳能电池效率已经超过25%,极具商业化价值,这得益于三维(3D)钙钛矿材料具有合适的带隙、吸光系数高、电子迁移距离长等优点。但3D钙钛矿的稳定性依然是其亟待解决的问题。二维(2D)钙钛矿器件除了兼具3D钙钛矿的优异光电性质之外,其稳定性良好,是解决3D钙钛矿太阳能电池稳定性问题的一个可行方案。2D钙钛矿晶格中的疏水性大烷基胺阳离子能阻止湿气侵入的可能路径,使其成为光电器件的备选材料。由于2D钙钛矿对许多不同的有机和无机成分具有较高的耐受性,使其组成具有多样性,进而影响其能带变化。本文对2D钙钛矿的带隙调控及能带调控进行总结,希望对制备高效、稳定的低维度钙钛矿太阳能电池具有一定的指导意义。     

非绝热分子动力学模拟A位阳离子对钙钛矿热载流子弛豫的影响

钙钛矿具有优异的光学和电学性质, 近年来成为太阳能电池领域的研究热点. 大量实验报道钙钛矿热载流子弛豫时间变化顺序为CsPbBr₃>MAPbBr₃(MA=CH₃NH₃)>FAPbBr₃[FA=HC(NH₂)₂], 但A位阳离子(Cs ⁺, MA ⁺, FA ⁺)对弛豫快慢的影响机制仍不明确. 采用基于含时密度泛函理论的非绝热动力学方法研究了上述3种钙钛矿热电子和热空穴的能量弛豫动力学, 计算得到的热载流子弛豫时间与实验结果吻合. 结果表明, A位阳离子通过静电和氢键作用影响其与无机Pb—Br骨架的电子-振动耦合, 使非绝热耦合强度遵从FAPbBr₃>MAPbBr₃>CsPbBr₃的变化趋势, 进而使热载流子弛豫时间尺度变化趋势与之相同, 表明合理选择A位阳离子可以优化钙钛矿太阳能电池的性能.     

La~2~-~xSr~xNiO~4~-~λ系列催化剂结构与氨氧化活性的关系

本文报道了La~2~-~xSr~xNiO~4~-~λ(0≤x≤1)系列复合氧化物的固体结构性质和用于氨的氧化制硝酸的催化性能。La~2~-~xSr~xNiO~4~-~λ的晶胞体积V随x的增大而逐渐减小;c轴在x≤0.5前逐渐增大,在x≥0.5后逐渐减小。α轴在x≤0.5前逐渐减小,在x≥0.5后基本保持恒定。在x≤0.5前,La~2~-~xSr~xNiO~4~-~λ中存在氧过剩,在x≥0.5后存在氧缺陷。TPD表明,α氧(吸附在氧缺陷上的氧)在x=0.6时出现极大,β氧(晶格氧)随x增大而逐渐增大。La~2~-~xSr~xNiO~4~-~λ的氧化还原能力,Ni^3^+的量,氨氧化的NO选择性都随x增大而增加。由此得出,Ni^3^+是催化剂的活性离子,β氧是氨的氧化的活性氧种,在La~2~-~xSr~xNiO~4~-~λ上的氨的氧化遵循氧化还原(Redox)机理。     

La-Mg-Ni系A2B7型贮氢合金的结构与电化学性能

合金结构研究表明,La2-xMgxNi7(x=0.3～0.8)主要由Ce2Ni7,Gd2Co7,PuNi3型物相组成.合金中Mg含量对合金相结构有着重要影响,主相的晶胞参数随Mg含量(x)的增加呈线性减小,合金的吸放氢平台也随之升高.电化学测试表明,随合金中Mg含量的增加,合金电极的放电容量先增大后减小,合金电极的循环稳定性呈恶化趋势,La1.4Mg0.6Ni7合金电极具有最高的电化学放电容量(378 mAh·g-1),La1.6Mg0.4Ni7合金电极具有最佳的循环稳定性(S270=81%).合金电极的高倍率放电性能(HRD)随Mg含量的增加而增大.当合金中Mg含量较低时(x≤0.5),合金电极反应速度控制步骤为氢在合金体相中的扩散;当Mg含量较高时(x≥0.5),合金电极反应速度控制步骤转变为电极表面的电荷转移.     

多维CsPbX3无机钙钛矿材料的制备及其在太阳能电池中的应用

近年来全无机CsPbX₃(X=Cl、Br、I)型钙钛矿材料由于其高吸光系数、低激子束缚能、长的载流子扩散长度等优点使其在太阳能电池(PSC)器件应用方面备受关注。高效的合成方法和精准的形貌控制对无机钙钛矿的光学性质及其太阳能电池光电性能及稳定性至关重要。本文系统介绍了不同维度无机钙钛矿材料包括零维量子点、一维纳米线/棒、二维纳米片和三维纳米花的现有合成方法;比较了各种合成方法的优势;着重介绍了不同维度无机钙钛矿材料的形貌调控手段,光学性质及相应太阳能电池光电性能的优化策略;最后展望了全无机钙钛矿朝着无害化和高性能钙钛矿太阳能电池的应用前景。     

铁掺杂浓度对Bao.5Sr0.5CoxFe1-xO3-δ混合导体膜性质的影响

用湿化学法合成了Ba0.5Sr0.5CoxFe1-xO3-δ系列混合导体透氧膜材料,并用XRD,O2-TPD,H2-TPR和透氧测定等手段考察了铁离子掺杂浓度对导体膜相结构及其稳定性、氧脱附性能和透氧能力等的影响.在氧浓度为2.13×104～0.1 Pa的范围内,x=0.2～0.8时材料保持为立方钙钛矿结构.铁含量的增加有利于材料钙钛矿结构在低温的稳定化,并提高了材料的热化学稳定性.然而,导体膜的透氧量却随着铁含量的增加而减小.这可能是由于导体膜表面的氧交换动力学过程在透氧速率控制步骤中的分量随铁含量的增加而变大之故.     

甲脒基铅卤钙钛矿结构及光电特性的第一性原理研究

甲脒基铅卤钙钛矿作为光电转换材料,引起了人们的广泛关注. 采用第一性原理对甲脒基铅卤钙钛矿FAPbI_xCl_3-x（FA=NH₂CH=NH₂⁺,x=0～3）的结构及光电特性进行了理论研究. 计算结果表明,FA在三方晶系的FAPbX₃（X=Cl,Br,I）中沿[001]方向排布,而在混合FAPbI_xCl_3-x中,八面体PbX₆（X=Cl,I）的扭转导致FA朝向发生了微小的偏移. FA对于平衡晶体结构起着重要的作用,并作为电荷供体为PbI₃骨架贡献约0.76 e的电荷. FAPbI_xCl_3-x属于直接带隙半导体,其价带顶（VBM）主要由I 5p（Cl 3p）和少量Pb 6s轨道杂化的反键轨道组成,而导带底主要由Pb 6p轨道组成. 随着I/Cl比例的增大,FAPbI_xCl_3-x的晶格常数和体积逐渐增大,禁带宽度逐渐减小,吸收光谱发生红移. FAPbI₃的禁带宽度为1.53 eV,表现出最佳的吸收光谱特性,是一类极具潜力的光电转换材料.     

铁掺杂浓度对Ba0.5Sr0.5CoxFe1-xO3-δ混合导体膜性质的影响

用湿化学法合成了Ba0.5Sr0.5CoxFe1-xO3-δ系列混合导体透氧膜材料,并用XRD,O2-TPD,H2-TPR和透氧测定等手段考察了铁离子掺杂浓度对导体膜相结构及其稳定性、氧脱附性能和透氧能力等的影响.在氧浓度为2.13×104～0.1 Pa的范围内,x=0.2～0.8时材料保持为立方钙钛矿结构.铁含量的增加有利于材料钙钛矿结构在低温的稳定化,并提高了材料的热化学稳定性.然而,导体膜的透氧量却随着铁含量的增加而减小.这可能是由于导体膜表面的氧交换动力学过程在透氧速率控制步骤中的分量随铁含量的增加而变大之故.     

混合稀土对A_2B_7型储氢合金结构和电化学性能的影响

采用感应熔炼方法制备了A2B7型La0.83-0.5x(Pr0.1Nd0.1Sm0.1Gd0.2)xMg0.17Ni3.1Co0.3Al0.1(x=0~1.66)储氢合金,并在He+Ar气氛和1 173 K下进行退火处理。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学方法,研究了混合稀土(Pr,Nd,Sm,Gd)替代La元素对合金物相结构和电化学性能的影响。合金相结构分析表明,混合稀土含量对合金组成和相结构有重要的影响,随混合稀土含量x的增加,合金中主相A2B7型(2H-Ce2Ni7型+3R-Gd2Co7型)相丰度逐渐增多,其中2H-Ce2Ni7型相丰度先增多后减少,3RGd2Co7型相丰度则逐渐增加,主相晶胞参数随x增加而减小。电化学结果表明,随混合稀土含量增加,放氢平台压逐渐升高,合金电极的最大放电容量和循环稳定性均呈先增大后减小的规律,其中x=0.4合金电极具有最高的电化学放电容量(389.8 mAh·g-1)和最佳的循环寿命(S100=91.30%);合金电极的高倍率放电性能(HRD)则随x的增加获得显著提高。适量的混合稀土替代量可显著改善合金电极的综合电化学性能。     

基于易升华添加剂辅助合成纯相富铯(CH(NH2)2)xCs1−xPbI3 钙钛矿

钙钛矿材料化学组分是决定钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的关键,纯无机钙钛矿CsPbI₃具有相对较好的热稳定性和光稳定性,但由于Cs⁺具有较小的离子半径而导致无机钙钛矿相不稳定。最近研究发现富铯FA_xCs_1?xPbI₃钙钛矿具有相对稳定的相结构,且可以很大程度上保持无机钙钛矿材料的热稳定性和光照稳定性,是一种非常具有前景的钙钛矿材料体系。目前这种富铯的FA_xCs_1?xPbI₃材料合成是通过引入过量有机组分FAI实现的,其中FAI一方面充当钙钛矿的掺杂剂,另一方面过量的FAI充当添加剂。由于其具有较高的升华温度,后续需要较高的温度使过量的FAI升华,实际上这在实验上很难实现对FAI升华量的精确控制。本文重点研究具有低升华温度的胺类,如碘甲胺(MAI)、碘化二甲胺(DMAI)、碘化乙胺(EAI)、碘化胺(NH₄I)和醋酸甲脒(FAAC),作为添加剂制备富铯FA_xCs_1?xPbI₃钙钛矿材料体系的可行性,这一方面可以有效降低钙钛矿薄膜的热处理温度;另一方面可拓宽的制备纯相钙钛矿成分的窗口期,这对大面积制备纯相富铯FA_xCs_1?xPbI₃钙钛矿薄膜尤为重要。结果表明MAI和DMAI可以作为合成FA_xCs_1?xPbI₃钙钛矿材料的有效添加剂,其与PbI2间较强的作用力可以促进Cs₄PbI₆的形成并有效抑制δ-CsPbI₃副产物的生成。合适的升华温度可以使薄膜在保持钙钛矿相结构的同时在较低温度升华去除过量的添加剂,最终实现在相对温和的条件下制备纯相富铯FA_xCs_1?xPbI₃钙钛矿材料。     

两步沉积法制备Br或Cl掺杂的有机-无机杂化钙钛矿太阳电池

采用控制前驱体浓度的两步沉积法和插入PbI₂层的DMSO分子（PbI₂（DMSO）复合体）分别与MAX（MA=CH₃NH₃,X=I,Br）或MAX（X=I,Cl）进行的分子内交换法,实现了Br或Cl的掺杂并合成了厚度为300nm左右的混合卤化物钙钛矿MAPbI_3-xBr_x和MAPbI_3-xCl_x膜。MAX前驱体溶液中含5%（摩尔分数,下同）MABr或15% MACl所生成的Br或Cl掺杂钙钛矿膜能提高钙钛矿太阳电池的光伏性能,进一步提高MABr或MACl的含量并不会明显改变掺杂量,但会形成小的白色颗粒或者针孔,这些将对电池的性能产生不利影响。前驱体溶液含5% MABr的MAPbI_3-xBr_x钙钛矿太阳电池所获得的能量转换效率（PCE）为13.2%,含15% MACl的MAPbI_3-xCl_x钙钛矿太阳电池获得了最高13.5%的PCE。     

全无机卤化铅钙钛矿的结构、热力学稳定性和电子性质

有机-无机杂化卤化铅钙钛矿因具有独特的电子和光学特性,已经成为光电领域最有前途的材料。但是,有机-无机钙钛矿材料及器件稳定性差,限制了其实际应用。与杂化钙钛矿相比,全无机卤化物钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)显示出更强的热稳定性。全无机卤化物钙钛矿CsPbX₃具有多个晶型,在不同的温度下呈不同相结构。目前,关于CsPbX₃的结构和物理性质仍存在争议。本文我们针对三个晶相α-,β-和γ-CsPbX₃的结构,热力学稳定性和电子性质进行了全面的理论研究。第一性原理计算表明,从高温α相到低温β相,然后再到γ相的相变伴随着PbX₆八面体的畸变。零温形成能计算表明,γ相最稳定,这与实验中γ相为低温稳定相的结论一致。电子性质计算表明,所有CsPbX₃钙钛矿都表现出直接带隙性质,并且带隙值从α相到β相再到γ相逐渐增加。这是由于相变发生时,Pb-X成键强度逐渐减弱,使价带顶能量降低,进而带隙增加。在所有相中,α相结构中较强的Pb-X相互作用,导致了较强的带边色散,使其具有较小的载流子有效质量。     

Design Principles of Large Cation Incorporation in Halide Perovskites

Perovskites have stood out as excellent photoactive materials with high efficiencies and stabilities, achieved via cation mixing techniques. Overcoming challenges to the stabilization of Perovskite solar cells calls for the development of design principles of large cation incorporation in halide perovskite to accelerate the discovery of optimal stable compositions. Large fluorinated organic cations incorporation is an attractive method for enhancing the intrinsic stability of halide perovskites due to their high dipole moment and moisture-resistant nature. However, a fluorinated cation has a larger ionic size than its non-fluorinated counterpart, falling within the upper boundary of the mixed-cation incorporation. Here, we report on the intrinsic stability of mixed Methylammonium (MA) lead halides at different concentrations of large cation incorporation, namely, ehtylammonium (EA; [CH₃CH₂NH₃]⁺) and 2-fluoroethylammonium (FEA; [CH₂FCH₂NH₃]⁺). Density functional theory (DFT) calculations of the enthalpy of the mixing and analysis of the perovskite structural features enable us to narrow down the compositional search domain for EA and FEA cations around concentrations that preserve the perovskite structure while pointing towards the maximal stability. This work paves the way to developing design principles of a large cation mixture guided by data analysis of DFT data. Finally, we present the automated search of the minimum enthalpy of mixing by implementing Bayesian optimization over the compositional search domain. We introduce and validate an automated workflow designed to accelerate the compositional search, enabling researchers to cut down the computational expense and bias to search for optimal compositions.     

第一性原理研究混合钙钛矿CH3NH3PbxSn1－xI3结构及光电特性

有机/无机钙钛矿是一类极具潜质的光电材料,目前已实现超过20%的光电转化效率。本文采用第一性原理对有机/无机混合钙钛矿CH₃NH₃Pb_xSn_1-xI₃ (x = 0-1)的结构及光电特性进行了理论研究。结果表明,范德华力(VDW)在优化钙钛矿结构中起着重要的作用,考虑范德华力可减小Pb/Sn―I键长,从而减小体系体积。通过分析甲胺离子CH₃NH₃⁺的态密度和Bader电荷,我们发现其对前线轨道没有贡献,仅仅扮演电荷供体的角色。Pb/Sn与I之间同时存在共价键和离子键相互作用。价带顶(VBM)主要是由I 5p以及Pb 6s (Sn 5s)杂化组成,而导带底(CBM)主要由Pb 6p (Sn 5p)轨道组成。在可见光区,随着波长的增加,体系吸收强度呈现整体下降趋势;随着Sn/Pb比值逐渐增大,吸收强度呈现增大趋势。CH₃NH₃SnI₃在可见光区表现出较佳的吸收光谱特性。     

一个各向异性磁稀释杂化钙钛矿系列[CH3NH3][CoxZn1-x(HCOO)3]

Inorganic-organic or hybrid perovskite materials, which are the complementary counterparts of pure inorganic perovskites, can provide many new opportunities in the researches of phase transitions, critical phenomena, and relevant properties, as they combine the characteristics of inorganic and organic components. Therefore, the hybrid perovskites of ammonium metal formate framework are very promising, and their properties have been found to be strongly dependent on the characteristics of the constituent metal ions and/or ammonium ions. Herein, we used solid solution strategies, borrowed from solid state chemistry, to investigate the anisotropic diluted magnetic hybrid perovskite system of [CH₃NH₃][Co_xZn_1-x(HCOO)₃], wherein the B-sites are occupied by the mixed metal ions of Co²⁺ and Zn²⁺. The solid solution compounds of this series in the range x = 0–1 (or the molar percent Co% = 0–100%) were successfully prepared using conventional solution chemistry methods. The resulting compounds were demonstrated to be iso-structural by using both single-crystal and powder X-ray diffraction analyses. The solid solution crystals belong to the orthorhombic space group Pnma, with the cell parameters being a = 8.3015(2)–8.3207(3) Å, b = 11.6574(4)–11.6811(5) Å, c = 8.1315(3)–8.1427(4) Å, and V = 787.89(5)–790.98(7) ų. The perovskite structure consists of a simple cubic anionic metal-formate framework and CH₃NH₃⁺ cations which are located in the framework cavities, with N―H···O hydrogen bonds formed between the framework and the cation. The members of this series showed negligible changes (< 0.4%) in their respective lattice and structural parameters. Thus, the prepared solid solution compounds constitute good molecule-based examples for the study of magnetic dilution under almost the same structural parameters and molecular geometries. Upon dilution, the magnetization per mole of Co at low temperatures and low fields was suppressed by the magnetic anisotropy of Co²⁺ and gradual destruction of the large spin canting between coupled Co²⁺ ions, in contrast to the magnetization enhancement observed in the isotropic diluted system of [CH₃NH₃][Mn_xZn_1-x(HCOO)₃] with the same perovskite structure. The percolation limit was estimated as (Co%)_P = 27(1)% (or x_P = 0.27(1)) from the magnetic data, which was slightly lower than that predicted by the percolation theory for a simple cubic lattice (31%); this trend was due to the strong magnetic anisotropy of the present system. In addition, rare incommensurate phase transitions were primarily detected below ~120 K for the pure Co and Zn members, which may also affect the magnetic properties of the materials.     

PbO-PbI2复合物膜转化的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜及其光电特性

有机-无机卤化物钙钛矿是一类优异的光电材料. 在过去四年内, 基于有机-无机卤化物钙钛矿的光电器件实现了超过15%的光电转换效率. 而有机-无机卤化物钙钛矿材料的可控制备是保证其在光电器件中应用的基础. 本文采用新的沉积方法在玻璃衬底表面制备了一种典型的有机-无机卤化物钙钛矿CH₃NH₃PbI₃薄膜. 其制备过程是: 采用超声辅助的连续离子吸附与反应法在玻璃衬底表面沉积PbO-PbI₂复合物膜, 之后与CH3NH3I蒸汽在110 ℃环境下反应, 将PbO-PbI₂复合物膜转化成CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜. 对CH₃NH₃PbI₃薄膜的微观结构, 结晶性及其光电性能等进行了表征. 结果表明, CH₃NH₃PbI₃薄膜呈晶态, 具有典型的钙钛矿晶体结构. 薄膜表面形貌均匀, 晶粒尺寸超过400 nm. 在可见光范围, CH₃NH₃PbI₃薄膜透过率低于10%, 能带宽度为1.58eV. 电学性能研究表明CH₃NH₃PbI₃薄膜表面电阻率高达1000 MΩ. 高表面电阻率表明CH₃NH₃PbI₃薄膜具有一定的介电性能, 其介电常数(ε_r)在100 Hz时达到155. 本研究提出了一种制备高质量CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜的新方法, 所得CH₃NH₃PbI₃薄膜可望在光、电及光电器件中得到应用.     

醋酸铅作为铅源合成CH3NH3PbBr3-xClx纳米晶体颗粒

Lead acetate, which is highly soluble in dimethylformamide, was used to synthesize mixed halide perovskite CH₃NH₃PbBr_3-xCl_x (MA = CH₃NH₃, 0 ≤ x ≤ 3) nanocrystals (NCs). This method provides an approach to address the low solubility of lead halides, especially lead chloride. Different Br/Cl ratios in MAPbBr_3-xCl_x lead to various optical properties. The photoluminescence emission peak can be tuned from 399 to 527 nm. Their full-widths at half-maxima (FWHM) are about 20 nm. MAPbBr_3-xCl_x NCs have an average diameter of ~(11 ± 3) nm and have uniform dispersion in toluene. The MAPbBr₃ NCs have a long average recombination lifetime (τ_ave = 97.4 ns) and a photoluminescence quantum yield (PLQY) of up to 73%.     

Influence of Organic-Cation Defects on Optoelectronic Properties of ASnI3 Perovskites A=HC(NH2)2, CH3NH3

Tin organic–inorganic halide perovskites (tin OIHPs) possess a desirable band gap and their power conversion efficiency (PCE) has reached 14 %. A commonly held view is that the organic cations in tin OIHPs would have little impact on the optoelectronic properties. Herein, we show that the defective organic cations with randomly dynamic characteristics can have marked effect on optoelectronic properties of the tin OIHPs. Hydrogen vacancies originated from the proton dissociation from FA [HC(NH₂)₂] in FASnI₃ can induce deep transition levels in the band gap but yield relatively small nonradiative recombination coefficients of 10⁻¹⁵ cm³ s⁻¹, whereas those from MA (CH₃NH₃) in MASnI₃ can yield much larger nonradiative recombination coefficients of 10⁻¹¹ cm³ s⁻¹. Additional insight into the “defect tolerance” is gained by disentangling the correlations between dynamic rotation of organic cations and charge-carrier dynamics.