真空闪蒸法制备钙钛矿薄膜的光学性质研究
发布时间：2021-04-02 22:37
近年来,以有机无机杂化铅卤钙钛矿为吸光层的薄膜太阳能电池受到了广泛的关注,不到十年时间其光电转换效率已经从3.8%提高到了23%,这主要归因于有机铅卤钙钛矿材料光吸收系数高,带隙合适并易于调控,电子-空穴扩散长度长等优点。2016年Gr?tzelL等人利用低气压快速去除薄膜前驱体溶剂的方法,获得了高质量的甲脒和溴离子掺杂钙钛矿薄膜。相比于其他传统的溶液制备方法,这种方法能够很好的解决大面积均匀性的问题,为高效率、大面积钙钛矿太阳电池产业化提供了可能。钙钛矿薄膜的成份、结构及其光学性能对于太阳电池的器件性能起决定性作用,因此在该制备技术下,研究不同掺杂种类钙钛矿薄膜对光学性质的影响具有积极的意义。利用真空闪蒸溶液技术制备了3种成分的钙钛矿薄膜,利用扫描电镜、 X射线衍射,吸收光谱和荧光光谱等表征手段对薄膜的形貌、结构和光学性质进行了研究。结果表明,该技术可以用于制备均匀致密、无针孔的高质量甲脒、溴离子掺杂和氯离子掺杂的钙钛矿薄膜(成分分别为（FAPbI3）0.85（MAPbBr3）0.15,MA
【文章来源】：光谱学与光谱分析. 2020,40(01)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
钙钛矿薄膜的形貌图
图2和图3分别为钙钛矿薄膜热处理前后的XRD图。 热退火前, MAPbI3和MAPb(IxCl1-x)3在14.3°出现了较弱的衍射峰, 这说明中间相中含有少量的钙钛矿结晶。 热处理后, MAPbI3薄膜在(110)晶面衍射峰的强度迅速增强, 说明退火去除了中间相中的DMSO, 形成了良好的四方相结构[5]。 MAPb(IxCl1-x)3薄膜在加热后也在14.2°和28.7°出现了强衍射峰, 分别对应(110)和(220)晶面, 说明薄膜也形成了四方相结构, 少量的氯掺杂对晶格结构没有影响。 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15薄膜的中间相在13.3°, 13.56°和12°出现了较弱的衍射峰, 这说明甲脒和溴掺杂的中间相和MAPbI3薄膜的中间相结构不同。 加热后, 薄膜形成了四方相的结构, 薄膜的形成机制为; 在真空下溶剂快速挥发, 增加了前驱体的过饱和度, 由于DMSO与铅离子的配位作用强于DMF, DMSO与钙钛矿配位并快速形成相对稳定的中间相, 经过加热后, 薄膜中的DMSO被去除并形成钙钛矿晶体。 但是与MAPbI3薄膜相比, 甲脒和溴掺杂薄膜(110)晶面的衍射峰低角度方向发生了移动。 这主要是FA (NH2CH=NH+2)的阳离子半径大于MA (CH3NH+3)阳离子所引起的[6]。图4为钙钛矿薄膜的吸收光谱。 3种薄膜在可见光区都具有强烈的吸收, 收边均在750 nm左右。 与MAPbI3相比, 掺杂甲脒和溴离子后, 薄膜的吸光度略有增加; 掺杂氯离子并未明显改变材料的吸光度; 3种材料的带隙分别为1.6, 1.61和1.6 eV。 这说明掺杂对材料的禁带宽度也没有明显的影响。 图5为钙钛矿薄膜的荧光光谱, 3种成分的薄膜荧光峰位分别位于774, 765和761 nm处。 甲脒和溴掺杂的薄膜荧光光谱峰位与文献报道相一致[7]; 氯掺杂后薄膜的荧光强度下降, 峰位出现了微小的蓝移; 氯的掺杂过程中, 通常只有很少量的氯能够进入薄膜的晶格结构中[8], 因此XRD的衍射峰没有出现移动和宽化, 但是在结晶过程中氯离子的存在仍然起到了重要的作用, 使晶粒尺寸从100 nm增至200 nm; 而且通常氯离子的加入能够提高载流子迁移率和寿命。 因此薄膜荧光峰位的蓝移和强度的减小, 可能是由于晶粒尺寸增加且晶粒内缺陷减少, 辐射复合被抑制导致的。
图4为钙钛矿薄膜的吸收光谱。 3种薄膜在可见光区都具有强烈的吸收, 收边均在750 nm左右。 与MAPbI3相比, 掺杂甲脒和溴离子后, 薄膜的吸光度略有增加; 掺杂氯离子并未明显改变材料的吸光度; 3种材料的带隙分别为1.6, 1.61和1.6 eV。 这说明掺杂对材料的禁带宽度也没有明显的影响。 图5为钙钛矿薄膜的荧光光谱, 3种成分的薄膜荧光峰位分别位于774, 765和761 nm处。 甲脒和溴掺杂的薄膜荧光光谱峰位与文献报道相一致[7]; 氯掺杂后薄膜的荧光强度下降, 峰位出现了微小的蓝移; 氯的掺杂过程中, 通常只有很少量的氯能够进入薄膜的晶格结构中[8], 因此XRD的衍射峰没有出现移动和宽化, 但是在结晶过程中氯离子的存在仍然起到了重要的作用, 使晶粒尺寸从100 nm增至200 nm; 而且通常氯离子的加入能够提高载流子迁移率和寿命。 因此薄膜荧光峰位的蓝移和强度的减小, 可能是由于晶粒尺寸增加且晶粒内缺陷减少, 辐射复合被抑制导致的。3 结 论
【参考文献】：
期刊论文
[1]钙钛矿太阳能电池近期进展[J]. 柴磊,钟敏. 物理学报. 2016(23)
本文编号：3116089
【文章来源】：光谱学与光谱分析. 2020,40(01)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
钙钛矿薄膜的形貌图
图2和图3分别为钙钛矿薄膜热处理前后的XRD图。 热退火前, MAPbI3和MAPb(IxCl1-x)3在14.3°出现了较弱的衍射峰, 这说明中间相中含有少量的钙钛矿结晶。 热处理后, MAPbI3薄膜在(110)晶面衍射峰的强度迅速增强, 说明退火去除了中间相中的DMSO, 形成了良好的四方相结构[5]。 MAPb(IxCl1-x)3薄膜在加热后也在14.2°和28.7°出现了强衍射峰, 分别对应(110)和(220)晶面, 说明薄膜也形成了四方相结构, 少量的氯掺杂对晶格结构没有影响。 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15薄膜的中间相在13.3°, 13.56°和12°出现了较弱的衍射峰, 这说明甲脒和溴掺杂的中间相和MAPbI3薄膜的中间相结构不同。 加热后, 薄膜形成了四方相的结构, 薄膜的形成机制为; 在真空下溶剂快速挥发, 增加了前驱体的过饱和度, 由于DMSO与铅离子的配位作用强于DMF, DMSO与钙钛矿配位并快速形成相对稳定的中间相, 经过加热后, 薄膜中的DMSO被去除并形成钙钛矿晶体。 但是与MAPbI3薄膜相比, 甲脒和溴掺杂薄膜(110)晶面的衍射峰低角度方向发生了移动。 这主要是FA (NH2CH=NH+2)的阳离子半径大于MA (CH3NH+3)阳离子所引起的[6]。图4为钙钛矿薄膜的吸收光谱。 3种薄膜在可见光区都具有强烈的吸收, 收边均在750 nm左右。 与MAPbI3相比, 掺杂甲脒和溴离子后, 薄膜的吸光度略有增加; 掺杂氯离子并未明显改变材料的吸光度; 3种材料的带隙分别为1.6, 1.61和1.6 eV。 这说明掺杂对材料的禁带宽度也没有明显的影响。 图5为钙钛矿薄膜的荧光光谱, 3种成分的薄膜荧光峰位分别位于774, 765和761 nm处。 甲脒和溴掺杂的薄膜荧光光谱峰位与文献报道相一致[7]; 氯掺杂后薄膜的荧光强度下降, 峰位出现了微小的蓝移; 氯的掺杂过程中, 通常只有很少量的氯能够进入薄膜的晶格结构中[8], 因此XRD的衍射峰没有出现移动和宽化, 但是在结晶过程中氯离子的存在仍然起到了重要的作用, 使晶粒尺寸从100 nm增至200 nm; 而且通常氯离子的加入能够提高载流子迁移率和寿命。 因此薄膜荧光峰位的蓝移和强度的减小, 可能是由于晶粒尺寸增加且晶粒内缺陷减少, 辐射复合被抑制导致的。
图4为钙钛矿薄膜的吸收光谱。 3种薄膜在可见光区都具有强烈的吸收, 收边均在750 nm左右。 与MAPbI3相比, 掺杂甲脒和溴离子后, 薄膜的吸光度略有增加; 掺杂氯离子并未明显改变材料的吸光度; 3种材料的带隙分别为1.6, 1.61和1.6 eV。 这说明掺杂对材料的禁带宽度也没有明显的影响。 图5为钙钛矿薄膜的荧光光谱, 3种成分的薄膜荧光峰位分别位于774, 765和761 nm处。 甲脒和溴掺杂的薄膜荧光光谱峰位与文献报道相一致[7]; 氯掺杂后薄膜的荧光强度下降, 峰位出现了微小的蓝移; 氯的掺杂过程中, 通常只有很少量的氯能够进入薄膜的晶格结构中[8], 因此XRD的衍射峰没有出现移动和宽化, 但是在结晶过程中氯离子的存在仍然起到了重要的作用, 使晶粒尺寸从100 nm增至200 nm; 而且通常氯离子的加入能够提高载流子迁移率和寿命。 因此薄膜荧光峰位的蓝移和强度的减小, 可能是由于晶粒尺寸增加且晶粒内缺陷减少, 辐射复合被抑制导致的。3 结 论
【参考文献】：
期刊论文
[1]钙钛矿太阳能电池近期进展[J]. 柴磊,钟敏. 物理学报. 2016(23)
本文编号：3116089
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