基于模板剥离法制备高性能钙钛矿单晶薄膜光电探测器

近年来,杂化钙钛矿半导体材料由于其带隙可调、吸收系数高、载流子迁移率高、成本低廉等诸多优点,在光电器件领域备受青睐,如太阳能电池、电致发光器件、光电探测器等。其中,钙钛矿单晶薄膜因其无晶界、杂质和缺陷含量低等特点,展现出更为优异的光学、电学特性,成为制备高性能光电器件的理想材料体系。然而,钙钛矿单晶薄膜常采用空间限域法直接生长在空穴传输层上,不可避免地将导致界面缺陷和载流子层间输运等问题,严重制约了钙钛矿单晶薄膜光电探测器的性能。为此,本文通过引入模板剥离法工艺技术,在钙钛矿单晶薄膜两侧分别蒸镀功能层材料,制备了结构为Cu/BCP/C₆₀/MAPbBr₃/MoO₃/Ag的钙钛矿单晶薄膜光电探测器。基于模板剥离法,两侧蒸镀的功能层与钙钛矿单晶薄膜接触紧密,将有效改善载流子的注入和传输;同时,优化的器件结构以及考虑能带匹配等因素可实现高灵敏、响应快速的钙钛矿单晶薄膜光电探测器。改进后器件的开关比高达3.1×10³,响应度可达7.15 A/W,探测率为5.39×10¹² Jones,...     

醋酸纤维素提高CsPbIBr2无机钙钛矿薄膜质量及其太阳能电池光电性能

由于具有适合的带隙和较高的稳定性,CsPbIBr₂无机钙钛矿被认为是一种较有前景的太阳能电池光吸收材料.但是目前报道的CsPbIBr₂钙钛矿太阳能电池效率还偏低,主要原因是制备的CsPbIBr₂钙钛矿膜质量差、缺陷多.本文通过将醋酸纤维素(CA)加入CsPbIBr₂钙钛矿前驱体溶液中改善CsPbIBr₂钙钛矿结晶过程,从而制备高质量的CsPbIBr₂钙钛矿膜.实验结果表明,CA中的C=O基团与前驱体溶液中的Pb²⁺间存在明显的相互作用,这种相互作用结合CA加入引起的前驱体溶液粘度增加,使CsPbIBr₂钙钛矿的结晶速率明显降低,从而制备了致密、结晶度高、晶粒尺寸大、晶界和缺陷少的高质量CsPbIBr₂钙钛矿膜.同时,CA的保护作用显著提高了CsPbIBr₂钙钛矿膜的稳定性.用碳材料层作为空穴传输层和背电极,制备结构为FTO/TiO₂/CsPbIBr...     

聚偏氟乙烯添加剂提高CsPbBr3钙钛矿太阳能电池性能

全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池因其优良的特性而受到广泛关注,但是钙钛矿层具有带隙宽、结晶性较差、表面缺陷较多和水分稳定性差等缺点,严重制约了全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池性能的提高和商业化发展.本文以无空穴传输层的碳基CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池作为控制组,在PbBr₂前躯液中引入具有丰富疏水F离子的聚偏氟乙烯(polyvinylideine fluoride,PVDF)作为添加剂,调节CsPbBr₃钙钛矿薄膜的生长过程,改善晶体结构和薄膜形态,降低缺陷密度及非辐射复合几率.结果表明,PVDF处理后钙钛矿器件的光伏性能得到了显著改善,光电转换效率提高至8.17%.并且在无封装条件下保存1400 h后,光电转换效率仍可保持90%以上.这表明适量添加PVDF可以有效提高CsPbBr₃薄膜质量及器件性能.本工作对进一步拓展CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池的优化设计思路具有重要意义.     

双配体策略制备大气环境下性能稳定的CsPbIBr2光电探测器

大气环境下溶液法制备的CsPbIBr₂钙钛矿薄膜存在薄膜覆盖率低、结晶度差和性能不稳定性等问题.为此,本文提出了一种双配体(卵磷脂(L-α-phosphatidylcholine,LP)和硫氰酸铵(NH₄SCN))策略,可在相对湿度不高于60%的大气环境下,利用喷涂法制备出高结晶质量、结构稳定的钙钛矿薄膜.这是由于卵磷脂能够有效降低钙钛矿前驱体溶液的表面张力,提高CsPbIBr₂钙钛矿薄膜的覆盖率,并在CsPbIBr₂钙钛矿薄膜表面形成一层隔绝水氧的保护层;但同时也会减小晶粒尺寸,形成大量的晶界,造成载流子传输不利.而NH₄SCN能够克服卵磷脂的不足,增大晶粒尺寸,提高钙钛矿材料的电学特性.这样,制备出的未封装CsPbIBr₂钙钛矿光电探测器(ITO/CsPbIBr₂/Au)具有低暗电流密度(2×10^-4mA·cm^-2)、微秒级别的响应时间(20,21μs)和长效稳定性(在相对湿度为40%—...     

采用PEABr添加剂获得高效且稳定的碳基CsPbBr3太阳能电池

全无机CsPbBr₃钙钛矿材料因其本征稳定性好、成本低廉从而在光伏领域展现出巨大的应用潜力,但目前CsPbBr₃太阳能电池的光电转换效率仍远低于其他体系的钙钛矿太阳能电池.本文以无空穴传输层结构的碳基CsPbBr₃全无机钙钛矿电池作为研究对象,以多步旋涂法为基础,通过在PbBr₂(DMF)溶液中添加2-苯乙胺溴盐(PEABr)来调控CsPbBr₃薄膜的结晶质量,降低薄膜缺陷态密度,钝化晶粒间界,并对其中的关键工艺参数包括CsBr的用量(旋涂次数)、旋涂PbBr₂薄膜时的衬底预热温度以及退火温度进行了优化.最终在大气环境下获得了兼具稳定和高效的无空穴传输层结构的碳基CsPbBr₃太阳能电池,器件的光电转换效率达到8.25%,并在无封装条件下保存1500 h仍可保持90%以上的效率,对于进一步拓展CsPbBr₃钙钛矿电池的优化设计思路具有重要意义.     

多步旋涂过程中CsPbBr3无机钙钛矿成膜机理

在无机钙钛矿太阳能电池的研究中,薄膜制备工艺是影响钙钛矿太阳能电池光电转换效率(PCE)的重要因素之一. CsPbBr₃钙钛矿作为稳定性极好的无机钙钛矿之一,因其前驱体盐(PbBr₂, CsBr)溶解度差异过大,通常采用多步法进行制备.而由于对成膜机理的认识不充分,导致制备的薄膜存在薄膜形貌差、前驱体反应不完全等问题.本文通过旋涂不同次数的CsBr溶液,探究了CsPbBr₃钙钛矿的成膜机理.成膜过程中CsBr扩散进入预先沉积的PbBr₂薄膜完成反应,短暂反应时间使薄膜深层反应不充分而薄膜表面过度反应,CsPb₂Br₅和Cs₄PbBr₆等相伴随CsPbBr₃钙钛矿出现,反复退火形成的薄膜阻挡CsBr扩散加剧了这一现象.适当地延长前驱体的反应时间,能为CsBr扩散及反应提供更充分的空间.基于优化反应时间, CsPbBr₃钙钛矿薄膜形貌得到改善、其晶粒尺寸得到提升,钙钛矿薄膜...     

氯掺杂甲胺基钙钛矿电池的性能及其改进

金属卤化物钙钛矿由于其高吸收系数、长距离载流子扩散长度和可调带隙,近年来在太阳能电池等光电器件中得到了广泛应用,有望实现商业应用.甲胺铅碘(MAPbI₃)作为一种标准的钙钛矿化合物组分已得到了充分的研究,然而,湿化学法制备的多晶薄膜由于其低形成能通常会产生较多的晶体缺陷(包含界面和晶界处缺陷),这是导致相变的一个重要原因,因此降低材料中的缺陷密度是提高钙钛矿稳定性的一个重要手段.虽然缺陷钝化是制备高效钙钛矿太阳能电池最常用的方法之一,但是分子钝化基团与钙钛矿晶体之间相对较弱的二次键可能会给实际设备的应用带来困难,特别是在高温、潮湿和紫外线(UV)光等恶劣环境下操作时.另一种策略是通过调控卤化物组成来提高其本征结构稳定性.本文以氯甲胺(MACl)和碘化铅(PbI₂)作为前驱体通过一步旋涂法制备了两相钙钛矿(MAPbI₂Cl).结果表明,氯离子掺杂替代部分碘离子可以更好地诱导钙钛矿结晶,进而稳定MAPbI₃晶格.经过Cl掺杂的钙钛矿层表现出更低的缺陷态密度,对比于原始薄膜, Cl的载流子寿命增加了7倍,...     

低温制备SnO2电子传输层用于钙钛矿太阳能电池

SnO₂具有光稳定性优异、可低温溶液制备等优点被视为电子传输层的优异材料之一,广泛应用于高效稳定的平面异质结钙钛矿太阳能电池.本文在低温(150℃)下采用旋涂工艺制备SnO₂电子传输层,探究了SnO₂前驱体溶液不同浓度(SnO₂质量分数为2.5%—10.0%)下制备的SnO₂电子传输层对钙钛矿太阳能电池性能的影响.通过对SnO₂薄膜进行扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱和透射光谱分析,发现基底的覆盖率、透光率和SnO₂薄膜的带隙随SnO₂前驱液浓度的增加而增大;通过对SnO₂/钙钛矿(MAPbI₃)薄膜进行SEM、UV-Vis、X-射线衍射(XRD)、稳态光致发光(PL)光谱分析,发现SnO₂胶体分散液浓度为7.5%制备的SnO₂层上沉积的MAPbI₃的粒径最大,结晶度最好,具...     

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.     

用SiCl4/H2气源沉积多晶硅薄膜光照稳定性的研究

对以SiH₄/H₂及SiCl₄/H₂为源气体、采用 等离子体增强化学气相沉积技术制备的非晶硅薄膜和多晶硅薄膜进行了光照稳定性的研究.实验表明，制备的多晶硅薄膜并没有出现 非晶硅中的光致衰减现象，其光电导、暗电导在光照过程中没有下降反而有所上升且电导率 变化快慢受氢稀释度的制约.多晶硅薄膜的光照稳定性可能来源于高的晶化度及Cl元素的存在. 关键词： 多晶硅薄膜 稳恒光电导效应 晶界 光致衰退效应     

铯掺杂提升反梯度结构二维(CMA)2MA8Pb9I28钙钛矿薄膜及太阳电池的性能

相对于3D钙钛矿材料,二维(2D)有机-无机杂化钙钛矿材料具有更好的稳定性.然而由于载流子输运性差, 2D钙钛矿太阳电池效率较低.为了提高2D钙钛矿太阳电池的效率,制备了铯掺杂的具有反梯度结构的二维(CMA)₂MA₈Pb₉I₂₈薄膜.研究结果发现:CsI掺杂能够改善(CMA)₂MA₈Pb₉I₂₈薄膜的形貌、增加晶粒尺寸、降低缺陷态密度,并且提高了(CMA)₂MA₈Pb₉I₂₈钙钛矿薄膜的热稳定性.最后, CsI掺杂浓度为10%时制备(CMA)₂MA₈Pb₉I₂₈钙钛矿太阳电池效率最高,达到了14.67%,相对于未掺杂的电池效率(10.06%)提高了45.8%.     

基于协同钝化策略制备高性能柔性钙钛矿太阳能电池

柔性钙钛矿太阳能电池由于可弯曲、重量轻、高功质比等特点,受到广泛关注.提升柔性钙钛矿太阳能电池转换效率最有效的策略是钝化钙钛矿薄膜内部的晶界缺陷以及钝化钙钛矿薄膜与电荷传输层的界面缺陷.本文设计制备了以柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate, PET)为基材的柔性反式钙钛矿太阳能电池,采用了辛基氯化胺(octadecylamine hydrochloride, OACl)添加剂及表面钝化的协同钝化策略,提高了钙钛矿薄膜的结晶质量,改善了钙钛矿薄膜内部及界面处的缺陷,并最终得到了光电转换效率为20.80%的柔性反式钙钛矿太阳能电池.本文为制备高效柔性钙钛矿太阳能电池提供了一种有效策略.     

动态热风辅助再结晶策略改善CsPbI2Br钙钛矿在大气环境下的结晶及其光电性能

CsPbI₂Br薄膜在大气环境下制备存在覆盖率低、结晶质量差和结构稳定性差等问题.本文提出了一种动态热风辅助再结晶策略(dynamic hot-air assisted recrystallization,DHR),在相对湿度大于(50%(>60%RH).的大气环境下,制备出高覆盖率、(100)择优取向、大尺寸晶粒、结构稳定、光电性能好的CsPbI₂Br薄膜.这是由于动态热风过程能够有效提高薄膜的覆盖率和获得(100)择优取向的结晶,但晶粒尺寸会显著减小(R_ave=0.32μm)并伴随着大量的晶界形成,从而加剧载流子的非辐射复合(τ_ave=99 ns);而通过再结晶过程,可进一步提高(100)择优取向的结晶和显著增大晶粒尺寸(R_ave=2.63μm),从而提高薄膜的光致发光强度和荧光寿命(τ_ave=118 ns).由DHR策略制备的未封装CsPbI₂Br太阳能电池具备高光电转换效率(power conversion effici...     

气相辅助刮刀涂布法制备钙钛矿薄膜

由于具有高效率以及可溶液法制备等优点,钙钛矿太阳能电池受到了广泛关注。溶液法制备钙钛矿薄膜通常使用旋涂法。然而,溶液旋涂法具有厚度不均匀、原料浪费严重等缺点,因而不适合制备大面积钙钛矿薄膜。目前,制备大面积均匀的钙钛矿太阳能电池仍是一项挑战。为此,本文使用一种新方法(气相辅助刮刀涂布法)来克服这一问题。该方法能够制备出大面积、高结晶度的均匀钙钛矿薄膜。此外,通过改变前驱液的浓度,能够得到不同厚度的钙钛矿薄膜。进一步研究发现,当前驱溶液浓度为1. 0 M时,可以制备出光伏性能最佳的钙钛矿太阳能电池。当电池活性面积分别为0. 112 5 cm~2和1. 0 cm~2时,在AM1. 5G(100 mW/cm~2)模拟太阳光下,其光电转化效率的最高值为17. 76%(平均效率16. 9%)和16. 3%。这为大面积钙钛矿太阳能电池的制备提供了新思路。     

钙钛矿薄膜气相制备的晶粒尺寸优化及高效光伏转换

钙钛矿薄膜的气相制备是一种极具潜力的工业化生产工艺,但薄膜的质量控制目前远落后于溶液制备法.本文通过建立PbI_2薄膜向钙钛矿薄膜完全转化过程中反应时间、晶粒尺寸与温度的关系,实现了薄膜的质量优化及大面积钙钛矿薄膜的制备,将薄膜的平均晶粒粒径从0.42μm优化到0.81μm.基于空间电荷限制电流模型对缺陷密度的研究显示,钙钛矿薄膜的缺陷密度由5.90×10~(16)cm~(–3)降低到2.66×10~(16)cm~(–3).光伏器件(FTO/TiO_2/C_(60)/MAPbI_3/spiro-OMeTAD/Au结构)测试显示,面积为0.045cm~2器件的平均光电转换效率从14.00%提升到17.42%,最佳光电转换效率达到17.80%,迟滞因子减小至4.04%.同时,基于180℃制备的1cm~2器件的光电转换效率达到13.17%.     

质子辐照CH3NH3PbI3基钙钛矿太阳能电池的损伤效应

针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)的空间应用,研究了动能为0.1—20.0 MeV的质子在CH₃NH₃PbI₃(简称MAPbI₃)薄膜及其太阳能电池中引起的损伤效应.结果表明, PSCs具有良好质子辐照稳定性,当0.1 MeV(2.0 MeV)质子的注量超过1×10¹³ p/cm² (1×10¹⁴ p/cm²)时,才会引起电池光电性能的降低. PSCs载流子传输层的辐照退化可能是造成电池性能降低的主要原因. MAPbI₃中的有机成分MAI会在质子辐照作用下发生分解,分解产生的气态产物(NH₃和CH₃I)将最终导致PSCs表面金电极的剥落.对于具有更大离子射程的10 MeV和20 MeV质子,入射质子会在PSCs的玻璃基底中产生色心缺陷,造成玻璃对可见光透射率的降低.色心缺陷可以在室温或100℃条件下发生热退火,降低玻璃的透射损失.     

化学溶液法制备的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3薄膜的光学性能

用化学溶液方法在宝石衬底及有LaNiO₃缓冲层的Pt/TiO₂/SiO₂/Si衬底上制备了92%Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-8%PbTiO₃(PMNT)薄膜，X射线衍射测试结果表明：在有LaNiO₃缓冲层的Pt/TiO₂/SiO₂/Si衬底上制备的PMNT薄膜几乎是纯钙钛矿相，且薄膜 关键词： PMNT薄膜 光学性能 化学溶液法     

前驱液成分对TFA-MOD法制备YBa2Cu3O7-x薄膜超导性能的影响

采用三氟乙酸盐-金属有机沉积法(TFA-MOD)在铝酸镧单晶基体上制备了YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO)超导薄膜.通过改变前驱液的成分,研究了金属元素的不同化学计量比对YBCO薄膜的结构和性能的影响.结果表明,按照钇盐Y(CH₃COO)₃与钡盐Ba(CH₃COO)₂的比例为Y ∶Ba=1 ∶1.5时所制备的YBCO薄膜的临界电流密度比严 关键词： 三氟乙酸盐-金属有机沉积 钇钡铜氧薄膜 前驱液成分 磁通钉扎     

利用脉冲激光沉积外延制备CsSnBr3/Si异质结高性能光电探测器

钙钛矿半导体具有光吸收系数高、载流子扩散长度大和荧光量子效率高等优异物理特性,已在光电探测器、太阳能电池等领域展现出重要的应用潜力.但卤化铅钙钛矿的环境毒性和稳定性大大限制了该类器件的应用范围.因此,寻找低毒、稳定的非铅钙钛矿半导体尤为重要.利用锡元素替代铅元素并生长高质量的锡基钙钛矿薄膜是实现其光电器件应用的可行方案.本文采用脉冲激光沉积方法,在N型单晶硅(100)衬底上外延生长了一层(100)取向的CsSnBr₃钙钛矿薄膜.霍尔效应及电学测试结果表明,基于CsSnBr₃/Si半导体异质结在暗态下具有明显的异质PN结电流整流特征,在光照下具有显著的光响应行为,并具有可自驱动、高开关比(10⁴)以及毫秒量级响应/恢复时间等优良光电探测器件性能.本文研究结果表明利用脉冲激光沉积方法在制备新型钙钛矿薄膜异质结、实现快速灵敏的光电探测方面具有重要应用前景.     

通过氧源调控原子层沉积的SnOx层实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

原子层沉积的SnO_x薄膜具有良好的均匀性和致密性,常被用于提升倒置平面结构钙钛矿太阳能电池的稳定性。而SnO_x薄膜的特性对器件能量转换效率(Power conversion efficiency,PCE)有着重要影响。本文通过氧源(H₂O、O₃)调控SnO_x薄膜的能级和导电性,提升器件PCE。结果表明,O₃作为单一氧源的SnO_x薄膜(记为O₃-SnO_x)具有较优的能级排列;而只有H₂O作氧源的SnO_x薄膜(记为H₂O-SnO_x)具有较高的电导率。而采用O₃和H₂O混合氧源制备的SnO_x(记为MIX-SnO_x),则兼顾了能级匹配和良好的导电性,有效提升器件的PCE,达到20.9%。不仅如此,得益于SnO_x