利用聚合物和金属纳米颗粒增强钙钛矿薄膜放大自发辐射（ASE）性质的研究

发布时间：2020-06-15 03:59

【摘要】：近些年来,由于金属卤化物钙钛矿材料独特而优异的光电特性,包括:高的消光系数,高且平衡的电子/空穴迁移率,较低的缺陷密度,较高的缺陷容忍度,带隙可调谐,微观结构可调谐,加工工艺多样化等等,使得其在光电领域,尤其是太阳能电池领域和发光二极管领域,吸引了学界极大的关注;且学界对于钙钛矿材料的研究也取得了长足的进展。然而,要真正将钙钛矿材料应用到商业领域,还需要学界共同努力,解决钙钛矿材料的热稳定性和光稳定性问题,铅毒性问题,载流子复合动力学机理问题,微观结构对其光电性能影响的问题等等。到目前为止,作为一种高消光系数材料(物质能够发生激射的先决条件),钙钛矿薄膜的激射性质仍鲜有报道。因此本文针对聚合物/金属纳米颗粒对钙钛矿材料光电性能的影响,钙钛矿材料内部载流子复合动力学,并结合钙钛矿材料高消光系数的性质。着力探究了MAPbI_3钙钛矿薄膜的激射行为,如何增强其激射性质,以及与其激射行为相关的载流子复合动力学。填补了钙钛矿材料在激射应用方面的空白,进一步加深了人们对钙钛矿材料光电性质的理解和与之相关的潜在应用的希望。本论文的工作主要分为以下两个部分:第一,在第三章中,我们通过“两步法”成膜,制备出具有激射性质的MAPbI_3钙钛矿薄膜,并利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和金纳米棒(Au NRs)来增强MAPbI_3钙钛矿薄膜的激射性质,即降低激射阈值,提高激射强度。利用PMMA,通过C=O和I~-之间的相互作用,以及C=O对I空位的填补,可以钝化MAPbI_3钙钛矿薄膜的表面缺陷,从而减少MAPbI_3钙钛矿薄膜内部的非辐射复合,使得更多的激发能量以辐射跃迁的形式耗散。MAPbI_3钙钛矿薄膜在经过PMMA修饰后,激射强度提升了5.8倍。此外,PMMA还作为隔绝层,有效地阻隔水氧,防止大气中水氧对MAPbI_3钙钛矿薄膜的侵蚀,极大地提高了MAPbI_3钙钛矿薄膜在大气湿度环境(30±5%)下的稳定性。利用Au NRs,由于其特殊的局域表面等离子共振(localized surface plasmon resonance)效应,其纵向的LSPR峰(775 nm)和MAPbI_3钙钛矿薄膜的荧光峰(770 nm)进行耦合共振,加之其横向的LSPR峰(520 nm)与MAPbI_3钙钛矿薄膜吸收谱高度重叠,可以同时增强MAPbI_3钙钛矿薄膜的激发效率和辐射跃迁速率,从而降低MAPbI_3钙钛矿薄膜的激射阈值,提高MAPbI_3钙钛矿薄膜的激射强度。经过Au NRs的修饰,MAPbI_3钙钛矿薄膜的激射强度相比最初,提高了13.9倍;激射阈值相比最初,降低了36%(从26.5μJ/cm~2降低至16.9μJ/cm~2)。第二,在第四章中,我们通过时间分辨荧光测试(time-resolved photoluminescence,TRPL)瞬态吸收测试(transient absorption,TA)和泵浦探测测试(pump-probe),探究了MAPbI_3钙钛矿薄膜在发生激射前后的载流子复合动力学,以及MAPbI_3钙钛矿薄膜在PMMA和Au NRs修饰前后的载流子复合动力学。发现:1)MAPbI_3钙钛矿薄膜的载流子复合具有功率依赖性,说明MAPbI_3钙钛矿薄膜的发光与自由载流子复合发光模型相吻合。2)在激射阈值前后,MAPbI_3钙钛矿薄膜的激发态积累由14.9 ps降低至300 fs,说明当激发功率大于激射阈值时,MAPbI_3钙钛矿薄膜内部更快的自由载流子积累和更少的光学损失,是发生电子“雪崩效应”的直接证据。3)在修饰PMMA后,MAPbI_3钙钛矿薄膜载流子复合寿命变长,其基态漂白寿命从原先的2.26 ns增加至2.78 ns,是PMMA钝化MAPbI_3钙钛矿薄膜表面,降低其非辐射复合的直接证据。4)在修饰AuNRs后,MAPbI_3钙钛矿薄膜的荧光寿命从6.8 ns降低至6.3 ns,说明Au-NRs的存在,由于其特殊的局域表面等离子共振效应,增强了MAPbI_3钙钛矿薄膜的辐射跃迁速率,从而增强了MAPbI_3钙钛矿薄膜的激射强度。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

太阳能电池,可再生能源

华南理工大学硕士学位论文类对太阳能电池的更多需求，比如可弯曲折叠，可透明化，可隔热，低成本，易加，目前学术界和工业界正着力研究不同种类的太阳能电池，包括有机太阳能电池，合物太阳能电池，全小分子太阳能电池，钙钛矿太阳能电池。随着加工工艺和优化的推陈出新，各类太阳能电池效率也在不断被刷新，如图 1-1 所示，为美国国家可能源实验部（NREL）给出的各类太阳能电池的最佳认证效率[2]。

阳离子,钙钛矿,阴离子,紫色

池领域[9, 68-71]也取得了不俗的成功。在过去十年中，钙钛矿太阳能电相对于其他薄膜器件表现出更加显著的发展[9, 68-71]。同样地，金属卤在高效发光二极管[51, 72-76]，高性能光电探测器(包括在可见光/红外线0]，伽马射线[81]等)，激光器[82, 83]，非线性光学[84-86]，自旋电子学[87]等地引起了学界的兴趣。料的晶体结构钙钛矿存在许多结构变体，但它们都具有相同的“母体”，这个“母体始矿物 CaTiO3的晶格[88-90]。可以用化学表达式 ABX3来表示这一结构两种不同尺寸的阳离子，而 X 为卤素阴离子。在理想的立方相钙钛矿子配位数为 6，连接 6 个 X 位的阴离子，形成 BX6八面体构相，这些相连”，在空间内构成一个三维网格。而比 B 位阳离子尺寸更大的 A 位位数为 12，则填充在 BX6八面体网格的间隙内[91]。如图 1-2 所示：

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