铋基、锰基有机-无机杂化材料的合成及光电性能的研究
发布时间：2022-01-03 16:16
随着科学技术的发展,人们对所使用材料的功能需求也越来越高,单一性能的材料已不能满足人们的需要。相对于传统有机和无机单组分材料,有机-无机杂化材料由于其综合了有机材料和无机材料的优异性能,并且具有简单的制备工艺,使其成为近几年材料、化学、医疗等多学科交叉领域研究中的热点。介于此,本论文选取低毒性三价铋离子和低成本二价锰离子作为无机骨架,以苄胺、乙二胺和2-氨基-4甲基吡啶作为有机基团,通过溶剂缓慢挥发结晶、水热结晶法等方法合成6种有机-无机杂化单晶,并对晶体材料的结构、形貌和光电化学稳定性进行了系列表征,并探索了其在薄膜太阳能电池中的应用。本论文的研究结果主要包括以下三个部分:（1）以氧化铋作为三价铋离子源的基本无机骨架,苄胺作为有机基团,与氢卤酸反应,通过水热结晶法制备出3种有机-无机杂化物:（C6H5CH2NH3）2Bi2Cl10、（C6H5CH2NH3
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
理想钙钛矿ABX3结构示意图
桂林理工大学硕士学位论文3X三种离子可做相应的改变。其工作原理如下图1.2所示。当有太阳光照射时，首先电池器件中的钙钛矿吸收层吸收光子并产生激子（电子-空穴对），由于钙钛矿材料内部激子束缚能不同，这些激子可以形成自由载流子。由于钙钛矿材料的结构特性，这些自由载流子具有较长的扩散距离和寿命，从而未复合的电子从钙钛矿层传输到等电子传输层，最终被导电玻璃阳极收集；未复合的空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最终被金属阴极收集。最后，通过连接阳极和阴极形成回路，从而产生光电流。图1.2钙钛矿太阳电池的工作原理。Fig.1.2Theworkmechanismofperovskitesolarcell.1.2.2钙钛矿太阳能电池分类1.2.2.1无机钙钛矿太阳能电池针对无机钙钛矿材料，其化学式ABX3，A以一价金属阳离子Cs为主，对Rb也有少量研究，B主要是Pb、Sn、Ag和Bi等单个金属阳离子或者混合金属阳离子，X为卤素阴离子Cl￣、Br￣和I￣[14-16]。混合金属阳离子可形成双钙钛矿结构，其结构通式可表示为A2BB"X6[17]。最具代表性的无机钙钛矿材料有CsPbI3[18]、Cs3Bi2Br9[19]、CsSnI3[20]、Cs2AgBiBr6[21]和Cs2AgInCl6[22,23]等。现阶段对无机钙钛矿电池的研究主要聚焦在对其器件效率进行提升，优化材料以及调节材料光学带隙等方面。一般通过调节各组分比例或者掺杂其他组分来实现目标。Ghosh等人[24]通过对X位进行掺杂，制备出器件效率为7.94%的全无机材料CsPbBr1.5I1.5，并且该电池器件在相对湿度55%的条件下曝露35h后，电池效率仅下降了12%。美国莱斯大学楼峻教授课题组[25]通过缺陷调控工程，在无惰性气氛保护条件下，利用液相工艺制备出了新型全无机钙钛矿(CsPbI3:Br:InI3)。这种新型全无机钙钛矿结构保留了CsPbI3的带隙(1.73
桂林理工大学硕士学位论文4的开路电压和12.04%的光电转换效率。此外，该电池展现出了优异的稳定性能，在自然环境条件下其稳定性可维持两个月以上。Deng等人[26]用前驱体溶液法合成了具有立方结构的双钙钛矿Cs2AgSbCl6，尽管该双钙钛矿材料在水、热及光中具有优异的稳定性，但目前大部分只限于理论计算方面，能够通过实验发现的数量却十分有限。此类研究工作为改善钙钛矿太阳能电池性能提供了新的有效途径，对全无机钙钛矿电池的发展具有重要意义。总之，到目前为止，叠层无机钙钛矿太阳能电池经中国计量院第三方认证的最高效率24.8%，是当前无机钙钛矿太阳能电池的最高值。该效率值虽比不上有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，但该体系组分在空气中稳定性较好，难挥发，发展前景广阔[18]。1.2.2.2铅基有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池有机-无机杂化钙钛矿材料与全无机钙钛矿材料结构类似，化学通式为ABX3，A主要为有机胺阳离子：CH3NH3(MA)，NH2CHNH2(FA)，B为二价或三价的金属阳离子：Pb2+[27]、Sn2+[28,29]、Bi3+[30-33]、Sb3+[34,35]、Cu2+[36-38]等，X为卤素阴离子或者混合卤素阴离子：Cl￣、Br￣、I￣[32-39]。每个金属阳离子B与邻位6个卤素阴离子X配位成[BX6]4-八面体，无机金属卤化物相邻八面体之间通过共用顶点卤素原子相连，在空间无限延伸从而形成三维立体框架结构，其中有机胺离子A填充在八面体形成的空隙内[40]。有机-无机杂化钙钛矿材料的是一种通过有机小基团和无机基团自组装而形成的新型杂化晶体材料，不同的无机和有机组份决定了该类材料具有与独特的物化特性。图1.3“电池实验室最高效率”图。Fig.1.3Thefigureof”BestResearch-CellEfficiencies”.
【参考文献】：
期刊论文
[1]有机太阳能电池的发展概论[J]. 尚修颉. 价值工程. 2020(03)
[2]Recent Progress in High-efficiency Planar-structure Perovskite Solar Cells[J]. Yang Zhao,Qiufeng Ye,Zema Chu,Feng Gao,Xingwang Zhang,Jingbi You. Energy & Environmental Materials. 2019(02)
[3]浅谈有机太阳能电池[J]. 赵亮. 科技创新导报. 2017(18)
[4]浅谈有机太阳能电池技术领域的应用[J]. 刘跨文. 科技展望. 2016(28)
[5]能源革命:从化石能源到新能源[J]. 邹才能,赵群,张国生,熊波. 天然气工业. 2016(01)
[6]新型太阳能电池关键材料研究及其进展[J]. 王曼星. 山东工业技术. 2014(17)
[7]有机太阳能电池材料研究新进展[J]. 张天慧,朴玲钰,赵谡玲,徐征,杨磊,刘祥志,鞠思婷. 有机化学. 2011(02)
硕士论文
[1]太阳能光伏发电系统的研究[D]. 孔娟.青岛大学 2006
本文编号：3566582
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
理想钙钛矿ABX3结构示意图
桂林理工大学硕士学位论文3X三种离子可做相应的改变。其工作原理如下图1.2所示。当有太阳光照射时，首先电池器件中的钙钛矿吸收层吸收光子并产生激子（电子-空穴对），由于钙钛矿材料内部激子束缚能不同，这些激子可以形成自由载流子。由于钙钛矿材料的结构特性，这些自由载流子具有较长的扩散距离和寿命，从而未复合的电子从钙钛矿层传输到等电子传输层，最终被导电玻璃阳极收集；未复合的空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最终被金属阴极收集。最后，通过连接阳极和阴极形成回路，从而产生光电流。图1.2钙钛矿太阳电池的工作原理。Fig.1.2Theworkmechanismofperovskitesolarcell.1.2.2钙钛矿太阳能电池分类1.2.2.1无机钙钛矿太阳能电池针对无机钙钛矿材料，其化学式ABX3，A以一价金属阳离子Cs为主，对Rb也有少量研究，B主要是Pb、Sn、Ag和Bi等单个金属阳离子或者混合金属阳离子，X为卤素阴离子Cl￣、Br￣和I￣[14-16]。混合金属阳离子可形成双钙钛矿结构，其结构通式可表示为A2BB"X6[17]。最具代表性的无机钙钛矿材料有CsPbI3[18]、Cs3Bi2Br9[19]、CsSnI3[20]、Cs2AgBiBr6[21]和Cs2AgInCl6[22,23]等。现阶段对无机钙钛矿电池的研究主要聚焦在对其器件效率进行提升，优化材料以及调节材料光学带隙等方面。一般通过调节各组分比例或者掺杂其他组分来实现目标。Ghosh等人[24]通过对X位进行掺杂，制备出器件效率为7.94%的全无机材料CsPbBr1.5I1.5，并且该电池器件在相对湿度55%的条件下曝露35h后，电池效率仅下降了12%。美国莱斯大学楼峻教授课题组[25]通过缺陷调控工程，在无惰性气氛保护条件下，利用液相工艺制备出了新型全无机钙钛矿(CsPbI3:Br:InI3)。这种新型全无机钙钛矿结构保留了CsPbI3的带隙(1.73
桂林理工大学硕士学位论文4的开路电压和12.04%的光电转换效率。此外，该电池展现出了优异的稳定性能，在自然环境条件下其稳定性可维持两个月以上。Deng等人[26]用前驱体溶液法合成了具有立方结构的双钙钛矿Cs2AgSbCl6，尽管该双钙钛矿材料在水、热及光中具有优异的稳定性，但目前大部分只限于理论计算方面，能够通过实验发现的数量却十分有限。此类研究工作为改善钙钛矿太阳能电池性能提供了新的有效途径，对全无机钙钛矿电池的发展具有重要意义。总之，到目前为止，叠层无机钙钛矿太阳能电池经中国计量院第三方认证的最高效率24.8%，是当前无机钙钛矿太阳能电池的最高值。该效率值虽比不上有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，但该体系组分在空气中稳定性较好，难挥发，发展前景广阔[18]。1.2.2.2铅基有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池有机-无机杂化钙钛矿材料与全无机钙钛矿材料结构类似，化学通式为ABX3，A主要为有机胺阳离子：CH3NH3(MA)，NH2CHNH2(FA)，B为二价或三价的金属阳离子：Pb2+[27]、Sn2+[28,29]、Bi3+[30-33]、Sb3+[34,35]、Cu2+[36-38]等，X为卤素阴离子或者混合卤素阴离子：Cl￣、Br￣、I￣[32-39]。每个金属阳离子B与邻位6个卤素阴离子X配位成[BX6]4-八面体，无机金属卤化物相邻八面体之间通过共用顶点卤素原子相连，在空间无限延伸从而形成三维立体框架结构，其中有机胺离子A填充在八面体形成的空隙内[40]。有机-无机杂化钙钛矿材料的是一种通过有机小基团和无机基团自组装而形成的新型杂化晶体材料，不同的无机和有机组份决定了该类材料具有与独特的物化特性。图1.3“电池实验室最高效率”图。Fig.1.3Thefigureof”BestResearch-CellEfficiencies”.
【参考文献】：
期刊论文
[1]有机太阳能电池的发展概论[J]. 尚修颉. 价值工程. 2020(03)
[2]Recent Progress in High-efficiency Planar-structure Perovskite Solar Cells[J]. Yang Zhao,Qiufeng Ye,Zema Chu,Feng Gao,Xingwang Zhang,Jingbi You. Energy & Environmental Materials. 2019(02)
[3]浅谈有机太阳能电池[J]. 赵亮. 科技创新导报. 2017(18)
[4]浅谈有机太阳能电池技术领域的应用[J]. 刘跨文. 科技展望. 2016(28)
[5]能源革命:从化石能源到新能源[J]. 邹才能,赵群,张国生,熊波. 天然气工业. 2016(01)
[6]新型太阳能电池关键材料研究及其进展[J]. 王曼星. 山东工业技术. 2014(17)
[7]有机太阳能电池材料研究新进展[J]. 张天慧,朴玲钰,赵谡玲,徐征,杨磊,刘祥志,鞠思婷. 有机化学. 2011(02)
硕士论文
[1]太阳能光伏发电系统的研究[D]. 孔娟.青岛大学 2006
本文编号：3566582
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