高压下有机-无机杂化钙钛矿CH_3NH_3PbI_3的结构及光学性质研究

近年来,随着有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的飞速发展,对此类材料基本物性的探索引起了科学家们的广泛关注.本文利用金刚石对顶砧装置对甲胺基碘化铅(CH_3NH_3PbI_3)进行高压实验,研究了室温下压力诱导CH_3NH_3PbI_3的结构变化以及压力对其光学性质的调控,实验最高压力为7 GPa.原位高压同步辐射X射线衍射实验结果显示,CH_3NH_3PbI_3样品在0.3 GPa由四方相转变为正交相,在4 GPa左右开始非晶化.结合原位高压吸收和荧光光谱,分析了压力对CH_3NH_3PbI_3带隙大小的调控作用.进一步利用原位高压拉曼光谱和红外光谱实验研究了CH_3NH_3PbI_3晶体中有机阳离子(CH_3NH_3~+)在高压下的行为.完全卸压后,样品恢复到加压前的初始状态.研究结果可为深入了解有机-无机杂化钙钛矿的光学性质和结构稳定性提供一些信息.     

含添加剂的二步溶液法制备钙钛矿太阳能电池

采用含二甲基亚砜(DMSO)添加剂的二步溶液法制备高质量CH_3NH_3PbI_3吸收层,并制备了结构为FTO/TiO_2致密层/TiO_2介孔层/CH_3NH_3PbI_3吸收层/碳电极的碳基无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池(PSCs)。研究了PbI_2薄膜分别在相同浓度的MAI/IPA溶液中浸泡不同时间,以及在不同浓度的MAI/IPA溶液中浸泡相同时间对CH_3NH_3PbI_3薄膜的形貌、结构以及对PSCs光伏性能的影响规律。结果表明,在PbI_2/DMF溶液中添加DMSO之后使制备的PbI_2薄膜呈多孔疏松状态,有利于MAI/IPA溶液渗入PbI_2薄膜内部,缩短PbI_2完全转换成CH_3NH_3PbI_3的时间;当浸泡时间为40 min时,电池的光伏性能最佳,其开路电压为0.82 V,短路电流密度为21.21 mA/cm~2,填充因子为0.49,光电转化效率为8.61%。但是当浸泡时间过长,CH_3NH_3PbI_3薄膜表面会出现大晶粒,导致电池的光伏性能变差。而在相同的浸泡时间下,MAI/IPA溶液的浓度则会显著影响PbI_2转化成CH_3NH_3PbI_3的速度,MAI/IPA溶液的浓度越高,PbI_2完全转化成CH_3NH_3PbI_3的速度越快。     

高压下低维有机-无机杂化钙钛矿MAPbI3纳米立方块带隙调控及光学性能的研究

低维有机-无机杂化钙钛矿材料由于其独特的光电性能而受到广泛关注。本文利用金刚石对顶砧装置对不同尺寸的CH_3NH_3PbI_3(MAPbI_3)纳米立方块进行了高压研究。并探索了尺寸效应对MAPbI_3纳米立方块在高压下的光学性能的影响规律。高压原位紫外-可见吸收和荧光光谱结果显示,两种不同尺寸的MAPbI_3纳米立方块的带隙和光学性能出现了不同的变化规律。其中,小尺寸MAPbI_3纳米立方块,在0.25 GPa以下,带隙随着压力的增加一直减小,而对于大尺寸纳米立方块的带隙,在0.67 GPa以下,随着压力的增加持续增加。原位高压拉曼的测量和分析表明,尺寸效应与八面体[PbI_6]~(4-)和有机阳离子CH_3NH_3~+间的相互作用有关。我们的研究结果为深入了解低维有机-无机杂化钙钛矿纳米晶的带隙调控和光学特性以及结构稳定性提供了研究依据,为提高有机-无机杂化钙钛矿电池的转化效率开辟了一种研究思路。     

光浴对CH_3NH_3PbI_3薄膜光致发光量子效率的影响

研究了CH_3NH_3PbI_3薄膜在光浴条件下的光致发光量子效率演化行为。在光浴过程中,CH_3NH_3PbI_3薄膜的光致发光量子效率表现为先增大再减小的变化趋势。发光动力学测量实验表明,在光浴过程中,CH_3NH_3PbI_3薄膜的载流子复合寿命与光致发光量子效率具有相同的变化趋势,即先增大再减小。根据实验结果可以推断,光浴引发CH_3NH_3PbI_3薄膜发生两种物理过程,分别使其光致发光量子效率升高和降低。两种过程共同决定了CH_3NH_3PbI_3薄膜在光浴条件下的光致发光量子效率演化行为。     

甲胺水合离子团簇的结构模型及红外光谱研究（英文）

本文利用量子化学计算方法,研究了甲胺和水复合离子团簇[(CH_3NH_2)(H_2O)_n]~+的几何结构、能量和红外光谱,揭示了结构生长模型、氢键作用机制和质子转移机理.研究结果表明,在[(CH_3NH_2)(H_2O)_n]~+团簇中,甲胺甲基上的一个氢原子转移到氨基上,形成分子内质子转移的CH_2NH_3~+离子核心结构模型,水分子作为氢键受体,与质子化氨基NH_3~+形成氢键.CH_3NH_2~+离子核心结构模型没有CH_2NH_3~+离子核心结构模型稳定.在团簇的红外光谱中,CH振动、自由NH振动、氢键结合的NH振动和OH振动模式在CH_3NH_2~+和CH_2NH_3~+两种离子核心结构模型的理论计算红外光谱中明显不同,因此可用于鉴别甲胺水合离子团簇的结构模型,有助于理解甲胺和水复合团簇的氢键网络结构.     

钙钛矿/银电极界面降解和离子迁移的原位研究

本文对CH_3NH_3PbI_3钙钛矿层与Ag电极之间的界面降解和离子迁移过程进行了全面地研究.利用原位光电子能谱检测于段,发现了Ag电极会诱导钙钛矿层的降解,导致PbI_2和AgI物种的形成以及Pb~(2+)离子在界面处还原成金属Pb物种.I 3d谱峰强度的反常增强为碘离子从CH_3NH_3PbI_3下表面迁移到Ag电极提供了直接的实验证据.此外,Ag电极和钙钛矿层接触会在CH_3NH_3PbI_3/Ag界面处诱导0.3 eV的界面偶极,这可能进一步促进碘离子扩散迁移,导致钙钛矿层的分解和Ag电极的侵蚀.     

CH_3CH_2O及CH_3CHOH与HO_2反应机理的理论研究

采用CCSD(T)/cc-p VTZ//B3LYP/6-311++G(2df,2p)水平上对CH_3CHOH+HO_2和CH_3CH_2O+HO_2反应体系的单、三重态反应机理进行了详细的理论研究.计算结果表明,CH_3CHOH+HO_2反应主要发生在单重态势能面上,其中四条通道均为快速自发过程;CH_3CH_2O+HO_2反应在三重态势能面上的通道CH_3CH_2O+HO_2→~3IM11→~3TS11→P11(CH_3CH_2OH+~3O_2)为动力学和热力学的优势路径.大气中CH_3CHOH比CH_3CH_2O更容易稳定存在.     

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CsPbX3(X=Cl,Br,I)与五环石墨烯范德瓦耳斯异质结的界面相互作用和光电性能的第一性原理研究

异质结工程是一种提高半导体材料光电性能的有效方法.本文构建了全无机钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)和二维五环石墨烯penta-graphene(PG)的新型范德瓦耳斯(vdW)异质结,利用第一性原理研究了CsPbX₃-PG异质结不同界面接触的稳定性,进而计算了稳定性较好的Pb-X接触界面异质结的电子结构和光电性能.研究结果表明,CsPbX₃-PG(X=Cl,Br,I)异质结具有II型能带排列特征,能级差距由Cl向I逐渐缩小,具有良好的光生载流子分离能力和电荷输运性质.此外,研究发现CsPbX₃-PG异质结能有效拓宽材料的光吸收谱范围,并能显著提高其光吸收能力,尤其是CsPbI₃具有最优的光吸收性能.经理论估算,CsPbX₃-PG的光电功率转换效率(PCE)可高达21%.这些结果表明,全无机金属卤化物钙钛矿CsPbX₃-PG异质结可以有效地提高半导体材料的光电性能,预期在光电转换器件中具有重要的应用潜力.     

ThTiO_4~(-/0),Th_2TiO_6~(-/0)和ThTi_2O_6~(-/0)的电子结构和化学成键的密度泛函理论研究

本文采用B3LYP密度泛函理论方法,探究双核、三核掺杂钍氧簇体系ThTiO_4~(-/0)、Th_2TiO_6~(-/0)和ThTi_2O_6~(-/0)的几何构型、电子结构和化学成键等规律,并与等价电子体(TiO_2)-/0n(n=2,3)进行对比,研究掺杂效应对于掺杂体系的结构和成键等性质的影响.结果表明:掺杂钍氧簇与其等价电子体(TiO_2)-/0n(n=2,3)具有类似的键连方式.ThTiO_4~-中单电子占据的位置与Ti2O-4中单电子的所处位置类似,都是被两个金属原子共用,而Th_2 TiO_6~-,Th Ti_2O_6~-以及Ti_3O_6~-中的单电子均处于那个不含端氧的金属原子上.     

CH3NH3I在制备CH3NH3PbI(3-x)Clx钙钛矿太阳能电池中的作用

利用具有钙钛矿结构的有机-无机杂化卤化物制备的太阳能电池, 由于具有溶液可加工性和高光电转换效率, 受到了广泛关注. 在目前报道的最高光电转换效率的器件中, 采用了CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x碘氯混合钙钛矿作为吸光层, 据报道在这种材料中光电子的扩散长度可以超过1 μm. 本文综述了在CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x方面现有的研究工作, 指出了薄膜制备条件的重要性, 并研究了CH₃NH₃I在PbCl₂/CH₃NH₃I热解法制备CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x吸光层中的作用. 扫描电子显微镜研究表明CH₃NH₃I加入量为PbCl₂的2倍到2.75倍时, CH₃NH₃I加入量的增加可以提高CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x吸光层的覆盖度和结晶度, CH₃NH₃I加入量进一步增加到3倍时, 形貌变化不大. X射线光电子能谱的数据证实了CH₃NH₃I加入量对覆盖度的影响, 并显示在CH₃NH₃I加入量大于PbCl₂的2.5倍以后, CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x中氯的掺入量急剧下降. 光电测试表明器件性能随CH₃NH₃I加入量增加而增加, 在CH₃NH₃I/PbCl₂为3/1时达到最高, 加入量略小于3/1对性能影响不大.     

高效无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备与性能研究

碳基钙钛矿太阳能电池因稳定性高、成本低廉而备受关注,但由于钙钛矿与碳电极之间能级匹配度不高,界面阻力大而导致效率不及金属基钙钛矿太阳能电池.本文制备了碳基无空穴传输层FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/CH₃NH₃PbI₃/Carbon电池结构.通过对介孔二氧化钛层、钙钛矿层厚度进行优化,并对钙钛矿的薄膜形貌及钙钛矿激发电子寿命、可见光吸收度、载流子的提取与分离等进行深度分析,讨论了电池效率提升的内在机理.当介孔氧化钛层和钙钛矿层达到最优厚度时,钙钛矿太阳能电池获得了开路电压（V_oc）为0.93 V、电流密度（J_sc）为21.75 mA/cm²、填充因子为55%、光电转化效率达到11.11%.同时对电池进行了稳定性研究,在室温湿度为40%–50%的条件下放置15 d电池性能依旧稳定保持原来的95%,优于金属基钙钛矿太阳能电池,从而为碳电极钙钛矿太阳能电池的商业化发展提供了可能.     

高效钙钛矿-有机本体异质结杂化串联太阳能电池

制备了一种有机铅卤钙钛矿-有机本体异质结杂化串联太阳能电池。采用紫外可见吸收光谱、原子力显微镜对薄膜形貌进行了表征。结果表明:有机本体异质结层可以有效改善钙钛矿的表面形貌, 增强了可见光的吸收。优化后的串联结构电池的短路电流可达19.14mA/cm², 开路电压为0.76V, 光电转换效率达到了6.54%。钙钛矿电池和有机本体异质结电池串联结构可以同时提高短路电流及填充因子, 二者具有较好的相容性和协同作用。     

Device simulation of lead-free CH_3NH_3SnI_3 perovskite solar cells with high efficiency

The lead-free perovskite solar cells(PSCs) have drawn a great deal of research interest due to the Pb toxicity of the lead halide perovskite.CH_3NH_3SnI_3 is a viable alternative to CH_3NH_3PbX_3,because it has a narrower band gap of 1.3 eV and a wider visible absorption spectrum than the lead halide perovskite.The progress of fabricating tin iodide PSCs with good stability has stimulated the studies of these CH_3NH_3SnI_3 based cells greatly.In the paper,we study the influences of various parameters on the solar cell performance through theoretical analysis and device simulation.It is found in the simulation that the solar cell performance can be improved to some extent by adjusting the doping concentration of the perovskite absorption layer and the electron affinity of the buffer and HTM,while the reduction of the defect density of the perovskite absorption layer significantly improves the cell performance.By further optimizing the parameters of the doping concentration(1.3 × 10~(16) cm~3) and the defect density(1 × 10~(15) cm~3) of perovskite absorption layer,and the electron affinity of buffer(4.0 eV) and HTM(2.6 eV),we finally obtain some encouraging results of the J_(sc) of 31.59 mA/cm~2,V_(oc) of 0.92 V,FF of 79.99%,and PCE of 23.36%.The results show that the lead-free CH_3NH_3SnI_3 PSC is a potential environmentally friendly solar cell with high efficiency.Improving the Sn~(2+) stability and reducing the defect density of CH_3NH_3SnI_3 are key issues for the future research,which can be solved by improving the fabrication and encapsulation process of the cell.     

In-plane oriented CH_3NH_3PbI_3 nanowire suppression of the interface electron transfer to PCBM

One-dimensional nanowire is an important candidate for lead-halide perovskite-based photonic detectors and solar cells. Its surface population, diameter, and growth direction, etc., are critical for device performance. In this research,we carried out a detailed study on electron transfer process at the interface of nanowire CH_3 NH_3 PbI_3(N-MAPbI_3)/Phenyl C61 butyric acid methyl-ester synonym(PCBM), as well as the interface of compact CH_3 NH_3 PbI_3(C-MAPbI_3)/PCBM by transient absorption spectroscopy. By comparing the carrier recombination dynamics of N-MAPbI_3, N-MAPbI_3/PCBM,C-MAPbI_3, and C-MAPbI_3/PCBM from picosecond(ps) to hundred nanosecond(ns) time scale, it is demonstrated that electron transfer at N-MAPbI_3/PCBM interface is less efficient than that at C-MAPbI_3/PCBM interface. In addition, electron transfer efficiency at C-MAPbI_3/PCBM interface was found to be excitation density-dependent, and it reduces with photo-generation carrier concentration increasing in a range from 1.0 × 1018 cm~(-3)–4.0 × 1018 cm~(-3). Hot electron transfer,which leads to acceleration of electron transfer between the interfaces, was also visualized as carrier concentration increases from 1.0 × 10~(18) cm~(-3)–2.2 × 10~(18) cm~(-3).     

First-principles analysis of the structural,electronic, and elastic properties of cubic organic-inorganic perovskite HC(NH_2)_2PbI_3

The structural, electronic, and elastic properties of cubic HC(NH_2)_2PbI_3 perovskite are investigated by density functional theory using the Tkatchenko–Scheffler pairwise dispersion scheme. Our relaxed lattice parameters are in agreement with experimental data. The hydrogen bonding between NH_2 and I ions is found to have a crucial role in FAPbI_3 stability. The first calculated band structure shows that HC(NH_2)_2PbI_3 has a direct bandgap(1.02 eV) at R-point, lower than the bandgap(1.53 eV) of CH_3NH_3PbI_3. The calculated density of states reveals that the strong hybridization of s(Pb)–p(I) orbital in valence band maximum plays an important role in the structural stability. The photo-generated effective electron mass and hole mass at R-point along the R–Γ and R–M directions are estimated to be smaller: m_e~*= 0.06 m0 and m_h~*= 0.08 m0 respectively, which are consistent with the values experimentally observed from long range photocarrier transport. The elastic properties are also investigated for the first time, which shows that HC(NH_2)_2PbI_3 is mechanically stable and ductile and has weaker strength of the average chemical bond. This work sheds light on the understanding of applications of HC(NH_2)_2PbI_3 as the perovskite in a planar-heterojunction solar cell light absorber fabricated on flexible polymer substrates.     

有机无机杂化固态太阳能电池的研究进展

近年来, 由于钙钛矿材料优良的光学吸收和电荷传导特性, 有机无机杂化固态太阳能电池取得了突破性的进展. 自2009年首次报道了光电转换效率为3.8%的钙钛矿太阳能电池以来, 该类电池的效率不断突破. 基于介孔薄膜的电池已取得了超过16.7%的认证光电转换效率, 基于平板异质结结构电池光电转换效率达到19.3%, 已接近传统硅基太阳能电池的光电转换效率. 本文将介绍有机无机杂化钙钛矿作为光电材料的光学物理结构特性, 以及在固态太阳能电池中的应用. 基于固态钙钛矿太阳能电池结构上的差异, 分别介绍其在多孔结构、平板异质结结构、柔性结构以及无空穴传导材料结构电池工作特性和各自优势, 以及影响电池特性的主要影响因素, 特别是钙钛矿成膜控制等. 并阐述对钙钛矿电池的理解和进一步提高固态钙钛矿电池光电转换效率需要关注的重点以及展望.     

Enhancing the photo-luminescence stability of CH3NH3PbI3 film with ionic liquids

The methylammonium lead triiodide (CH₃NH₃PbI₃)-based perovskite shows a great alluring prospect in areas of solar cells, lasers, photodetectors, and light emitting diodes owing to their excellent optical and electrical advantages. However, it is very sensitive to the surrounding oxygen and moisture, which limits its development seriously. It is urgent to spare no effort to enhance its optical and electrical stability for further application. In this paper, we synthesize the MAPbI₃ perovskite film on the glass substrate with/without the ionic liquid (IL) of 1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIMBF₄) by a simple two-step sequential solution method. The additive of BMIMBF₄ can improve the quality of crystal structure. Moreover, the photo-luminescence (PL) intensity of MAPbI₃ film with BMIMBF₄ is much stronger than the pure MAPbI₃ film after a week in the air, which is almost ten-fold of the pure one. Meanwhile, under the illumination of 405-nm continuous wave (CW) laser, the fluorescent duration of the MAPbI₃ film with BMIMBF₄ is approximately 2.75 min, while the pure MAPbI₃ film is only about 6 s. In fact, ionic liquid of BMIMBF₄ in the perovskite film plays a role of passivation, which prevents the dissolution of MAPbI₃ into CH₃NH₃ and PbI₂ and thus enhances the stability of environment. In addition, the ionic liquid of BMIMBF₄ possesses high ionic conductivity, which accelerates the electron transport, so it is beneficial for the perovskite film in the areas of solar cells, photodetectors, and lasers. This interesting experiment provides a promising way to develop the perovskite's further application.     

Temperature-dependent photoluminescence on organic-inorganic metal halide perovskite CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x prepared on ZnO/FTO substrates using a two-step method

Temperature-dependent photoluminescence characteristics of organic-inorganic halide perovskite CH_3NH_3Pb I_(3-x)Cl_x films prepared using a two-step method on ZnO/FTO substrates were investigated. Surface morphology and absorption characteristics of the films were also studied. Scanning electron microscopy revealed large crystals and substrate coverage. The orthorhombic-to-tetragonal phase transition temperature was~140 K. The films' exciton binding energy was 77.6 ± 10.9 meV and the energy of optical phonons was 38.8 ± 2.5 meV. These results suggest that perovskite CH_3NH_3Pb I_(3-x)Cl_x films have excellent optoelectronic characteristics which further suggests their potential usage in perovskitebased optoelectronic devices.     

多元半导体光伏材料中晶格缺陷的计算预测

半导体光伏材料的发展在过去60多年中表现出了清晰的多元化趋势. 从20世纪50年代的一元Si太阳能电池, 到20世纪60年代的GaAs和CdTe电池、70年代的CuInSe₂电池、80年代的Cu(In, Ga) Se₂、90年代的Cu₂ZnSnS₄电池, 再到最近的Cu₂ZnSn(S, Se)₄和CH₃NH₃PbI₃电池, 组成光伏半导体的元素种类从一元逐渐增多到五元. 元素种类的增多使得半导体物性调控的自由度增多, 物性更加丰富, 因而能满足光伏等器件应用的需要. 但是, 组分元素种类的增多也导致半导体中晶格点缺陷的种类大幅增加, 可能对其光学、电学性质和光伏性能产生显著影响. 近20年来, 第一性原理计算被广泛应用于半导体中晶格点缺陷的理论预测, 相对于间接的实验手段, 第一性原理计算具有更加直接的、明确的优势, 并且能对各种点缺陷进行快速的研究. 对于缺陷种类众多的多元半导体体系, 第一性原理计算能预测各种点缺陷的微观构型、浓度和跃迁(离化)能级位置, 从而揭示其对光电性质的影响, 发现影响器件性能的关键缺陷. 因而, 相关的计算结果对于实验研究有直接、重要的指导意义. 本文将首先介绍半导体点缺陷研究的第一性原理计算模型和计算流程; 然后, 总结近5年来两类新型光伏半导体材料, 类似闪锌矿结构的Cu₂ZnSn(S, Se)₄半导体和有机-无机杂化的钙钛矿结构CH₃NH₃PbI₃半导体的点缺陷性质; 以这两类体系为例, 介绍多元半导体缺陷性质的独特特征及其对太阳能电池器件性能的影响.