基于二维有机无机杂化钙钛矿的薄膜晶体管

三维有机无机杂化钙钛矿因其优异的光电性能被视为光电领域极具前景的材料,但其在湿度环境下的不稳定性成为制约产业化进程的关键因素之一.本文采用一步溶液法成功制备了碘化铅基二维钙钛矿(PEA)₂(MA)_n–1Pb_nI_3n+1 (n=1, 3,6, 20, 30),对钙钛矿的维度及微观结构进行调控,并将其应用作为薄膜晶体管(TFTs)器件的半导体沟道层.实验结果表明,独特的二维层状结构和量子约束效应有效地抑制了器件的环境不稳定性和离子迁移现象, TFTs器件性能得到提高.基于准二维Quasi-2D (n=6)钙钛矿的薄膜晶体管器件空穴迁移率(μ_hole)达到3.9 cm²/(V·s)、阈值电压为1.85 V、开关比高于10⁴.首次提出将准二维有机无机杂化钙钛矿材料应用到薄膜晶体管中,为制备高性能、高稳定性的薄膜晶体管器件提供了新的思路.     

平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展

高效低成本太阳电池的研发是太阳能光伏技术大规模推广应用的关键. 近年来兴起的有机- 无机杂化钙钛矿(以下简称钙钛矿)太阳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, 具有广阔的发展前景. 其中平面异质结钙钛矿太阳电池因具有结构简单, 可低温制备等诸多优点, 成为目前研究的一个重要方向. 平面异质结钙钛矿太阳电池分为n-i-p型和p-i-n型两种结构. 其中钙钛矿分别与电子传输层和空穴传输层形成两个界面, 在这两个界面上实现电子和空穴的快速分离. 电子传输层和空穴传输层分别为电子和空穴提供了独立的输运通道. 平面异质结结构有利于钙钛矿太阳电池中电子和空穴的分离、传输和收集. 此外, 该结构不需要高温烧结的多孔结构氧化物骨架, 扩大了电子和空穴传输材料的选择范围. 可以根据钙钛矿材料的能带分布及载流子传输特性, 来选择能级和载流子传输速率更为匹配的传输材料. 本文对钙钛矿的材料特性, 平面异质结结构的由来及发展进行了简要的概述. 其中重点介绍了平面异质结钙钛矿太阳电池的结构特征、工作机理、钙钛矿/电荷传输层的界面特性, 以及电池性能的优化, 包括钙钛矿薄膜制备、空穴和电子传输层的优化等. 最后对钙钛矿电池的发展前景及存在问题进行了阐述, 为今后高效、稳定钙钛矿太阳电池的研究提供参考.     

有机-无机杂化钙钛矿材料的本征稳定性

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已逾24%,效率的飞速提升加之可低成本溶液法制备的市场优势,使人们越来越期待钙钛矿太阳能电池的商业化.目前钙钛矿太阳能电池商业化所面临最大的障碍是材料乃至器件的长期不稳定性,这使其无法在使用寿命上与已商品化的硅基等太阳能电池匹敌.本文从化学不稳定性和相不稳定性两个层面剖析了有机-无机杂化钙钛矿材料本征不稳定性的问题,并从组分设计及制备工艺等角度给出了提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的相关建议.     

柔性有机/无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展

柔性太阳电池具有重量轻、可卷对卷连续生产、可卷曲、不易破碎、便于携带和可穿戴等特点,可在多种领域为人们提供电力,具有非常广泛的应用前景。近年来,在基于刚性衬底的有机/无机杂化钙钛矿太阳电池（PSC）展示了出色的功率转换效率之后,柔性PSC研究也受到了人们的广泛关注。目前,柔性PSC的转换效率已经达到了18.1%。本文介绍了近年来柔性PSC领域的相关研究工作,综述了已应用于柔性PSC的柔性基底、透明电极和界面传输层等关键材料近来的发展,并探讨了这些材料应用于柔性PSC时的优势和面临的主要问题,最后对柔性PSC未来的发展进行了展望。     

有机-无机杂化钙钛矿中的自旋输运和磁场效应

有机-无机杂化钙钛矿(OIHPs)是现阶段较为新颖的光电子材料之一,已被广泛地应用于太阳能电池和发光领域。然而,该类材料已被证实具有较强的自旋轨道耦合和Rashba效应,并且具备较高的载流子迁移率和消光系数。因此,这为实现自旋注入和自旋调控提供了重要依据。本文从三个方面对有机-无机杂化钙钛矿的自旋光电子学展开论述,首先是自旋极化电子在钙钛矿自旋器件中的输运研究以及铁磁-钙钛矿自旋界面研究;其次,是该材料在激发态下的磁场效应研究;最后,就钙钛矿自旋光电子学未来发展进行了探讨和评论。     

无铅和少铅的有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展

基于有机-无机杂化卤化铅材料的钙钛矿太阳电池的转换效率在短短几年内已迅速突破22%,为未来能源问题的解决带来了曙光,同时也引起了高度重视.但紧随其后的商品化、产业化发展需求极大地增加了对绿色、无毒的高效无铅钙钛矿太阳电池进行研究和开发的重要性和紧迫性.为进一步加快环境友好型钙钛矿太阳电池的研发进度,对目前无铅和少铅钙钛矿太阳电池的发展现状进行了综述.着重讨论了替代元素种类及其浓度、制备工艺等对薄膜和电池性能的影响,以期对电池的工作机理、替代元素的作用机理有更加深刻的认识,为新型环保、高效的钙钛矿太阳电池的制备提供指导.     

界面修饰对有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池性能的影响

作为近些年来最耀眼的明星材料之一,钙钛矿以其优异独特的光电特性成功吸引研究人员的广泛关注.自2009年报道了第一篇光电转换效率为3.8％的钙钛矿电池,到现在短短10年期间效率已经突破25.2％,几乎可以与商用多晶硅电池媲美.尽管其制备过程简单,但在薄膜的形成过程中很容易引入大量的缺陷.缺陷的存在会加速载流子的复合,阻碍...     

高效平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的质量管理

基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳电池具有能量转换效率高和制备工艺简单等优点,引起了学术界的高度关注.其中平面异质结结构太阳电池具有结构简单,可与其他类型电池相兼容以构筑叠层电池设计,以及可低温制备等诸多优点,成为当前的一个重要研究方向.然而,电池性能的优劣与钙钛矿薄膜质量的高低有着直接的联系.本文对钙钛矿材料的特性、一步溶液法制备薄膜的成核-生长机理、电池结构的演变等进行了概述,其中重点介绍了高质量钙钛矿薄膜溶液法制备过程的一些最新的质量控制方法;最后对钙钛矿太阳电池的发展及存在问题进行了总结和展望,为今后的研究提供参考.     

碳量子点修饰对有机-无机杂化钙钛矿阻变性能的影响

通过在前驱体中添加碳量子点（CQD）,制备了具有不同晶粒尺寸的有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3(MAPbI3)薄膜,并以金（Au）和氟掺氧化锡（FTO）为电极制备了具有Au/CQD-MAPbI3/FTO结构的阻变器件．测试了CQD掺杂浓度对器件阻变性能的影响,并分析了其物理机制．结果表明：通过优化CQD掺杂质量浓度可以提升器件开关比,降低器件运行电压的波动．基于导电通道模型,器件阻变性能提升的可能原因为晶界主导的碘离子迁移随机性降低,导电通道结构简化．     

有机-无机杂化钙钛矿自组装量子阱结构的能带调控和光电性能的研究

有机-无机杂化钙钛矿材料具有分子尺度上调节能带结构的特点,在光、电、磁等领域均表现出了优异的性能.通过简单的旋涂方法,成功的制备了具有不同无机层层数的杂化钙钛矿材料(C₆H₁₃NH₃)₂(CH₃NH₃)_n-1Pb_nI_3n+1 (简写为C₆Pb关键词： 杂化钙钛矿 量子阱 带隙 光电性能     

结构乱序对二维有机-无机杂化钙钛矿材料中激子行为和动力学的影响

本文合成了2-苯基乙基铵碘化铅(PEPI)和4-苯基-1-丁基铵碘化铅(PBPI)两种二维有机-无机杂化钙钛矿薄膜样品,并采用稳态吸收光谱、温度依赖的光致发光光谱和超快瞬态吸收光谱开展了细致的比较性研究. 由于含有较多的乙基基团,PBPI比PEPI具有更长的有机链,其无机骨架发生变形,从而引入结构乱序. 通过能域光谱线形和时域动力学的比较分析,揭示出PBPI中更大程度的结构乱序会导致更多缺陷态的形成,这些缺陷态可作为陷阱态以促进激子动力学. 另外,温度依赖的超快光谱揭示出激子共振的精细结构,并表明其与无机骨架而非有机链相关. 更进一步,在PEPI和PBPI中均观察到光激发相干声子,并揭示出结构乱序对无机骨架低频拉曼振动的微妙影响. 该工作为二维杂化钙钛矿材料的光学性质、激子行为和动力学以及相干声子效应提供了有益的见解.     

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。     

有机/无机杂化纳米粒子制备多孔增透膜

以甲基丙烯酸四氟丙酯-co-γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷[P(TFPMA-co-TMSPMA)]共聚物和聚苯乙烯(PS)二元混合乳液旋涂成膜,再采用环己烷选择性溶解除去PS纳米粒子的方法制备了多孔有机/无机杂化纳米基光学增透膜。研究了二元混合乳液固含量、旋涂速度及纳米粒子粒径等参数对增透膜性能的影响。通过选用不同固含量的混合乳液以及改变成膜转速,可制得膜厚在109～208nm之间,折射率nf在1.22～1.25之间,在400～1100nm波段均获得最大透射率高于99.1%的增透膜;此外,研究发现膜的粗糙度及透射率对纳米粒子粒径有较强的依赖性,减小成膜乳液粒子粒径可有效降低膜的粗糙度。     

影响杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的因素探讨

自从2009年首次报道采用有机-无机杂化钙钛矿作为吸光材料用于太阳能电池以来, 钙钛矿太阳能电池效率的快速提升引起了人们广泛的关注, 这类电池同时具有制备工艺简单、成本低廉等优点, 引发了钙钛矿电池的研究热潮. 目前研究工作大多数集中在如何提高电池的光电转化效率, 但钙钛矿电池要真正实现产业化应用, 急需要解决材料及器件的稳定性问题. 本文探讨影响钙钛矿材料及器件的稳定性因素, 从温度及湿度等方面分析了材料的稳定性, 从传输材料及其界面问题讨论了器件的稳定性.     

基于微区光学系统的二维杂化钙钛矿稳定性研究

二维钙钛矿材料由于其具有特殊和更稳定的光电性能逐渐成为材料领域的一个研究热点。为了研究二维杂化钙钛矿的稳定性,用旋涂法制备了二维杂化钙钛矿代表性材料(C_6H_5C_2H_4NH_3)_2(CH_3NH_3)_2Pb_3I_(10)的薄膜样品,在薄膜上旋涂一层PMMA进行对比,测量两种薄膜随激光照射时间变化的光致发光光谱变化。结果表明,二维杂化钙钛矿在空气中仍然存在光稳定性较差的问题,其结构在连续激光的作用下被破坏、造成不可逆转的分解;而PMMA薄膜的覆盖能对二维杂化钙钛矿起到很好的保护作用。     

杂化钙钛矿电池电极层载流子的传输特性

提出了层状结构薄膜太阳能电池器件各层面内和面间载流子传输模型.依据不同电路结构获得薄膜层的面内和面间电阻数据,推演出器件的各层电阻值.实验结果表明：TiO₂层的面间电阻为24～40Ω,钙钛矿(PVK)层的面间电阻为2～6Ω;对于薄膜层数较少,例如Glass-PVK-TiO₂和Glass-PVK-TiO₂掩膜-PVK掩膜的情况,由于接触电阻的弱效应,模型模拟的电阻与实际测量之间的偏差小于11%.     

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.     

金纳米粒子增强钙钛矿的荧光发射

有机-无机杂化钙钛矿材料在钙钛矿发光二极管(PeLEDs)和激光器等光电器件中得到了新的应用,如何进一步提高钙钛矿薄膜的发光效率是目前的研究热点。将20nm粒径的金纳米粒子(Au NPs)掺杂至界面层PEDOT∶PSS中,可使以甲胺铅溴盐(CH3NH3PbBr3)薄膜为发光层的荧光强度提升了2.7倍。研究表明,Au NPs的引入有效增强了CH3NH3PbBr3薄膜的吸收,并提高了激子的辐射跃迁速率。同时,结合光学仿真进行分析,发现Au NPs的近场和远场表面等离激元均与钙钛矿薄膜吸收/发射区域有效耦合,从而最大程度地提高发光效率。提出利用Au NPs的近场和远场复合表面等离激元效应可最大程度地提高钙钛矿薄膜的荧光发射效率,该研究对制备高效率PeLEDs和激光器等提供了重要的理论指导和技术支持。     

有机-无机杂化低密度多孔材料的研制

主要开展了高内相乳液法（HIPE）制备有机／无机杂化低密度多孔材料。制备了不同SiO2含量的丙烯酸酯／SiO2杂化多孔材料，研究不同无机含量对杂化材料体积收缩的影响，结果列于表1。     

有机-无机纳米结对ZnO热电性能影响

本文以溶胶-凝胶法制备了聚对苯撑纳米复合Zn_(0.9)Co_(0.1)O基(PPP@Zn_(0.9)Co_(0.1)O)热电材料。Zn_(0.9)Co_(0.1)O材料的特征衍射峰与标准卡片相对应,样品的单相性较好。在Zn_(0.9)Co_(0.1)O基体中,镶嵌着呈不规则圆形的聚对苯撑纳米颗粒,大小在50 nm以下。添加高电导率的聚对苯撑纳米颗粒后,PPP@Zn_(0.9)Co_(0.1)O材料体系的电导率大幅度增加。经过Co掺杂之后的Zn_(0.9)Co_(0.1)O材料样品在提高电导率同时,使得Seebeck系数降低;而添加PPP进行复合之后,随着PPP添加量的增加,Seebeck系数先增加后减小。最大的ZT值为9%(wt)PPP@Zn_(0.9)Co_(0.1)O材料在900 K时取得,达到0.084。