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。     

基于无机铅卤钙钛矿的第一性原理分析

运用Material Studio 7.0软件构建模型,对不同卤化物所构成的无机铅卤钙钛矿进行了第一性原理分析,选用了点群结构为Pm3m的CsPbX_3(X=Cl,Br,I)立方晶胞,并在此基础上优化分析了带隙结构和态密度.通过调整不同的交换泛函得到了同一CsPbBr_3单胞优化后的不同的带隙和体模量.并对同一泛函PBE下CsPbCl_3、CsPbBr_3、CsPbI_3的带隙大小、态密度等结果进行了分析,结果显示,随着晶格参数从Cl到I变大,钙钛矿的体模量和电子带隙会变小,离子性也得到了增强.     

钙钛矿ABX3型材料的结构与性质调控

近年来,钙钛矿太阳能电池由于其效率高、制造成本低、工艺简单等特点受到广泛关注,成为目前太阳能电池领域的研究热点。在钙钛矿太阳能电池中,无机-有机杂化ABX₃材料非常重要。它既作为光吸收材料,同时又作为载流子传输材料,因此它的光电性质直接影响到太阳能电池的效率。本文综述了调控钙钛矿型无机有机金属卤化物ABX₃结构和性质的几种途径。     

ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控

近年来,钙钛矿太阳能电池由于其效率高、制造成本低、工艺简单等特点受到广泛关注,成为目前太阳能电池领域的研究热点。在钙钛矿太阳能电池中,无机-有机杂化ABX₃材料非常重要。它既作为光吸收材料,同时又作为载流子传输材料,因此它的光电性质直接影响到太阳能电池的效率。本文综述了调控无机有机金属卤化物ABX₃型钙钛矿光伏材料结构和性质的几种途径。     

金属卤化物钙钛矿纳米晶高效发光二极管的制备与器件性能优化

金属卤化物钙钛矿作为一类新型的离子型直接带隙半导体材料在电致发光二极管(LED)中有着重要应用前景. 但实现其应用的前提在于金属卤化物钙钛矿材料需要保持高的发光效率和好的稳定性. 为了提高金属卤化物钙钛矿作为LED发光层的激子结合效率, 从而提升其发光效率, 设计和合成金属卤化物钙钛矿纳米晶材料是一个有效途径. 目前, 基于纳米晶材料设计的金属卤化物钙钛矿LED在绿光和红光(包括近红外光)范围已经展现了高的发光亮度和外量子效率(EQE), 其中最高EQE已经超过了20%, 但其稳定性仍无法满足器件应用的要求. 此外, 更值得关注且更重要的是, 蓝光钙钛矿LED的发光亮度和EQE目前仍然不高. 如何制备高效、 稳定的金属卤化物钙钛矿纳米晶LED, 特别是蓝光LED, 是一个具有重大应用前景且具有挑战性的课题. 本文重点介绍了金属卤化物钙钛矿纳米发光层的结构设计和合成方法及金属卤化物钙钛矿LED的研究进展, 分析了金属卤化物钙钛矿LED不稳定的原因, 并对金属卤化物钙钛矿LED研究面临的挑战和未来发展方向进行了总结与展望.     

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。     

反式p-i-n结构钙钛矿太阳能电池

近年来,有机无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初3.8%提升到现在的21.0%.快速的效率提升主要得益于钙钛矿材料本身的光电特性—适宜的直隙半导体禁带宽度、较低的激子束缚能、较高的摩尔消光系数、优良的载流子双极性扩散特性.然而,高效率钙钛矿太阳能电池的器件稳定性和迟滞效应现象仍未得到很好的改善,是当前急需要解决的挑战性难题.本文首先回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历程和器件结构的演变,结合本课题组在反式p-i-n结构钙钛矿太阳能电池方面的研究进展,试图阐明一些由电池结构带来的本质性差异和一些设计实现钙钛矿太阳能电池高效率、高稳定性、消除迟滞效应的普遍规律.着重总结了基于聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)基与NiO基两类p型空穴传输材料的反式结构钙钛矿电池方面的代表性研究进展.     

提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池稳定性的策略（英文）

近年来,基于有机无机金属卤化物钙钛矿的叠层太阳能电池引起了巨大的研究热潮。但是,不稳定性限制了其商业化。适用于顶部子电池的宽带隙钙钛矿存在相不稳定性,而适用于底部子电池的窄带隙钙钛矿存在空气不稳定性。首先,我们总结了提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池稳定性的最新进展。然后,我们系统地分析了导致宽带隙钙钛矿的相不稳定性和窄带隙钙钛矿的空气不稳定性的原因,并为解决这些不稳定性问题总结了合理的策略。我们也简短地总结了中间层带来的不稳定性以及相应的解决措施。最后,我们回顾了钙钛矿材料固有的本征不稳定性和相应的改进方法,这对于将来发展更稳定的叠层太阳能电池中是必要的。我们认为随着对钙钛矿子电池的理解越来越深入,基于钙钛矿的叠层电池特别是钙钛矿/硅叠层电池将会迅速商业化。     

基于CsPb0.9Sn0.1IBr2的全无机钙钛矿太阳能电池展示出效率和稳定性的提升

正钙钛矿太阳能电池是一种非常有前景的新型光伏器件。近年来,其光电转换效率的最高记录已经从3.8%迅速上升到22.1%~(1–5)。常见的有机-无机杂化卤化物钙钛矿材料的通用化学式为ABX3,其中A位点通常是有机阳离子(如甲基铵     

提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池稳定性的策略

近年来,基于有机无机金属卤化物钙钛矿的叠层太阳能电池引起了巨大的研究热潮。但是,不稳定性限制了其商业化。适用于顶部子电池的宽带隙钙钛矿存在相不稳定性,而适用于底部子电池的窄带隙钙钛矿存在空气不稳定性。首先,我们总结了提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池稳定性的最新进展。然后,我们系统地分析了导致宽带隙钙钛矿的相不稳定性和窄带隙钙钛矿的空气不稳定性的原因,并为解决这些不稳定性问题总结了合理的策略。我们也简短地总结了中间层带来的不稳定性以及相应的解决措施。最后,我们回顾了钙钛矿材料固有的本征不稳定性和相应的改进方法,这对于将来发展更稳定的叠层太阳能电池中是必要的。我们认为随着对钙钛矿子电池的理解越来越深入,基于钙钛矿的叠层电池特别是钙钛矿/硅叠层电池将会迅速商业化。     

准二维钙钛矿太阳能电池的研究进展

新型有机-无机杂化二维（2D）钙钛矿具有优良的光电性能、 结晶性和稳定性, 在太阳能电池领域引起广泛关注. 相比于三维（3D）钙钛矿, 由于有机间隔阳离子（OSC）的引入形成独特的层状晶体结构赋予了材料特殊性质: （1） 多层量子阱结构促成材料各项异性的光电性质; （2） 间隔阳离子改变前驱体团簇状态, 实现溶液中高质量的结晶; （3） 间隔层的疏水性质和抑制离子迁移作用, 从本源上改善了钙钛矿的稳定性. 近年来, 针对准2D钙钛矿太阳能电池（准2D-PSCs）展开了广泛研究, 并取得了一系列重要研究成果. 本文从准2D钙钛矿材料的晶体结构与取向、 相分布、 光电性质到器件的能量转化效率与稳定性等方面, 综合评述了近年来准 2D-PSCs的最新研究进展, 总结了晶体结构-材料性质-电池性能之间的作用机制, 并进一步展望了未来研究的趋势.     

手性钙钛矿纳米材料的构筑及光电性能

金属卤化物钙钛矿纳米材料因其丰富的化学结构和优异的光电性能,已成为一种极具应用前景的半导体材料。在钙钛矿无机框架中引入有机手性分子后,能够比较容易地得到手性钙钛矿纳米材料,从而可以极大地推动智能光电材料和自旋电子器件的快速发展。本文将综述手性钙钛矿纳米材料的构筑与手性产生机理的最新研究进展,包括一维手性钙钛矿纳米线、二维及准二维手性有机-无机杂化钙钛矿纳米片、三维手性钙钛矿纳米晶、超分子组装体系中诱导的手性钙钛矿纳米晶等。值得注意的是,不同种类的手性钙钛矿纳米材料在圆二色性、圆偏振发光、铁电性、自旋电子学等方面展现出优异的光电性能及巨大的应用前景。但是,有关手性钙钛矿纳米材料的研究目前还处于初级阶段,其中很多机理还存在争议,许多基础性和应用型的工作也有待开展。     

钙钛矿型太阳能电池制备工艺及稳定性研究进展

有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池因其简单的制备工艺,低廉的制造成本,优异的光电转换效率,成为光伏领域的研究热点。钙钛矿光吸收材料具有消光系数高、载流子迁移率高、载流子寿命长、带隙可调控等优点。短短几年内,钙钛矿型太阳能电池的效率从最初的3.8%提高到22.1%。目前,为了获得稳定高效的钙钛矿型太阳能电池,主要有以下几个研究思路：新型器件结构设计;结构功能层的材料形貌设计;结构各功能层间的界面修饰;空穴传输材料的选择;对电极的选择。本文通过文献综述,在回顾了国内外研究者对钙钛矿型太阳能电池的研究历程的基础上,介绍了钙钛矿型太阳能电池的结构和工作原理,重点总结了电子传输层和钙钛矿层的制备工艺及优化,并讨论了钙钛矿型太阳能电池的稳定性以及展望了其商业化的前景。     

α,β,γ,δ,ε,η-Bi_2O_3电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的CASTEP模块研究了α,β,γ,δ,ε和η-Bi_2O_3晶型,计算分析了其几何结构、能带结构、电子态密度和光学性质.结果表明,α,ε和η相均为层状结构,其中,α和ε相为单层—Bi—O—结构,而η相为双层—Bi—O—结构;β,γ和δ相为—Bi_m—O_n—交错结构,其中δ相交错尤为密集,呈现导体特性.各晶相的导带均由Bi 6p态构成,价带由O__(2p)态起主导作用.电势电位分析结果表明,6种晶相价带电位均在H_2O/O_2之下,具有强氧化能力,与实验报道的光催化氧化能力大小顺序γ-Bi_2O_3β-Bi_2O_3α-Bi_2O_3δ-Bi_2O_3一致,而导带还原电位低于H_2/H_2O,预测纯Bi_2O_3很难具备催化产氢能力.光学性质分析发现,γ和δ相的起始响应波长较大,说明其应具备红外激发的性质.这些结果可为获得偏红外激发和较宽光谱响应的Bi_2O_3材料研究提供理论基础,为研发和应用Bi_2O_3及其复合物提供重要的指导.     

无机卤化物钙钛矿纳米结构的带隙可调制备及光电应用研究

在半导体领域,通过合金化集成两种以上半导体的单纳米结构近年来相继问世,随着纳米材料的成分变化,可以灵活实现半导体的带隙调控,在光通信以及集成光电器件领域有着广泛的应用。然而,传统半导体纳米结构因不同成分之间存在晶格失配,其带隙调节的范围受到了很大限制。因此,钙钛矿作为对晶格失配具有高容忍度的半导体材料,在半导体带隙调控及器件研究领域显示出了巨大的潜力。本文综述了无机卤化物钙钛矿一维合金纳米材料的合成方法以及近年来的研究进展,总结了可调带隙钙钛矿一维合金纳米材料在光电子器件领域中的应用,包括波长可调谐纳米激光器、光电探测器、白光发光二极管、全光开关、太阳能电池等。实现单纳米结构带隙工程将对未来集成器件的发展产生深远的影响。     

钙钛矿型太阳能电池制备工艺及稳定性研究进展

有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池因其简单的制备工艺,低廉的制造成本,优异的光电转换效率,成为光伏领域的研究热点。钙钛矿光吸收材料具有消光系数高、载流子迁移率高、载流子寿命长、带隙可调控等优点。短短几年内,钙钛矿型太阳能电池的效率从最初的3.8%提高到22.1%。目前,为了获得稳定高效的钙钛矿型太阳能电池,主要有以下几个研究思路:新型器件结构设计;结构功能层的材料形貌设计;结构各功能层间的界面修饰;空穴传输材料的选择;对电极的选择。本文通过文献综述,在回顾了国内外研究者对钙钛矿型太阳能电池的研究历程的基础上,介绍了钙钛矿型太阳能电池的结构和工作原理,重点总结了电子传输层和钙钛矿层的制备工艺及优化,并讨论了钙钛矿型太阳能电池的稳定性以及展望了其商业化的前景。     

全无机钙钛矿太阳电池的制备及稳定性

全无机钙钛矿太阳电池因其热稳定性好、载流子迁移率高,可用于制备叠层电池等优点备受关注。随着人们对全无机钙钛矿太阳电池的深入研究和制备工艺的持续优化,全无机钙钛矿太阳电池的光电转换效率已经突破19%。然而,全无机钙钛矿材料相稳定性较差,这使得实现全无机钙钛矿太阳电池在空气环境下制备和长期使用面临巨大挑战。众多科研工作者通过分析全无机钙钛矿材料的相变机制,有针对性地提出了包括添加剂工程、界面工程和开发全无机钙钛矿量子点电池等多种方式来改善全无机钙钛矿太阳电池的长期稳定性。本综述从全无机钙钛矿材料与电池的结构、活性层制备方法和稳定性研究三个方面总结了近年来关于全无机钙钛矿太阳电池的研究进展。     

阴极界面修饰层改善平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池的光伏性能

有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿半导体材料结合了有机材料良好的溶液可加工性以及无机材料优越的光电特性,近几年受到了热捧,成为太阳能电池领域一颗耀眼的明星. 伴随着钙钛矿薄膜结晶过程和形貌的优化、器件结构的改进以及电极界面材料的开发,这类有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%迅速提高到目前最高的22.1%. 其中界面工程在提升器件性能上发挥着极其重要的作用. 本文总结了平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池中阴极界面修饰层（CBL）的研究进展. CBL从材料上讲可分为无机金属氧化物、金属或金属盐以及有机材料,从构成上讲可分为单层CBL、双层CBLs以及共混型CBL. 本文对这些类型的CBL分别给予详细的介绍. 最后,我们归纳出CBL在改善器件效率和稳定性上所起的作用以及理想CBL所应满足的要求,希望能为以后阴极界面修饰材料的设计提供一定的借鉴.     

甲胺基-甲脒基混合钙钛矿的第一性原理研究

有机铅卤钙钛矿APbX_3的稳定性是制约其应用的重要因素,对APbX_3钙钛矿中A和X采用不同种类离子混合的化学组分调控是改进其稳定性最有效的方式之一。其中,A位点采用不同比例的甲脒离子(FA)和甲胺离子(MA)是当前研究的热点方向。本文通过第一性原理计算,系统研究了FA_(1-x)MA_xPbI_3体系的结构和光电性质。研究发现FA与MA的混合增加体系的稳定性,其中FA_(0.5)MA_(0.5)PbI_3最稳定。通过分析不同混合比例的结构,揭示了晶格常数随x的增加线性减小;以及带隙随x减小而线性增加。此外,计算结果发现MA所占比例增加时吸收光谱蓝移。研究表明通过FA和MA离子的混合能有效调控钙钛矿的光电性质,从而获得更有效的钙钛矿太阳能电池。     

SCN掺杂提高CsPbI_3胶体量子点的稳定性和光探测性能（英文）

无机卤化物钙钛矿CsPbI_3胶体量子点因其优越的光电性能在光伏和发光器件领域中表现出极大的发展前景。然而,CsPbI_3较差的稳定性阻碍了实际应用。为此,我们采用SCN-离子掺杂CsPbI_3 (SCN-CsPbI_3)量子点用于提高量子点的光学性能和稳定性。研究表明,SCN-离子掺杂不仅减少了量子点缺陷、改善了光学性能,还提高了Pb-X键能、量子点结晶质量以及钙钛矿结构稳定性。结果表明,SCN-CsPbI_3量子点的荧光量子产率(PLQY)超过90%,远高于未掺杂原始样品(PLQY为68%)。高的荧光量子产率表明量子点具有较低的缺陷态密度,这归咎于缺陷的减少。空间限制电荷和时间分辨荧光光谱等研究也证实SCN-离子掺杂减少了量子点的缺陷。此外,SCN-CsPbI_3量子点展现出很好的抗水性能,其荧光强度在水中浸泡4 h后依然保持85%的初始值。而未掺杂原始样品的荧光性能很快消失,这是因为水诱导其相变。基于SCN-CsPbI_3量子点的光电探测器表现出宽波域响应(400–700 nm),高的响应率(90 mA·W~(-1))和超过10~(11) Jones的探测度,远高于未掺杂原始量子点探测器的性能(响应率为60 mA·W~(-1)和探测度为1010 Jones)。