有机—无机杂化钙钛矿铁电多功能材料及锡基钙钛矿太阳能电池的制备与研究

发布时间：2018-02-09 16:12

本文关键词： 有机-无机杂化钙钛矿铁电光致发光半导体锡基钙钛矿太阳能电池　出处：《东南大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：有机-无机杂化钙钛矿材料能够在分子水平上结合有机组分和无机组分各自的性能优势,具有优异的性能和广阔的应用前景,受到广泛的研究。特别是近几年三维ABX3金属卤素化合物钙钛矿作为吸光层在太阳能电池领域的成功应用使得有机-无机杂化钙钛矿越来越受关注。有机-无机杂化钙钛矿结构中的有机阳离子由于处在无机阴离子框架形成的空隙中,其动力学状态容易随着外界温度变化,可以引起铁电相变,是潜在的分子基铁电材料。通过构建不同特性的无机阴离子框架,有机-无机杂化钙钛矿能在分子水平实现铁电性质与磁性、光致发光性质、半导体性质等的结合。在过去几年,铅卤钙钛矿太阳能电池能量转换效率(PCE)从3.8%提高到22.1%,但环境更友好的锡基钙钛矿太阳能电池发展却比较缓慢,特别是无铅锡基钙钛矿太阳能电池和低带隙、低含铅量的锡铅掺杂钙钛矿太阳能电池PCE未得到提高,至今还很低。基于有机-无机杂化钙钛矿,本论文合成了两个发光铁电材料[C4H8NH2][MrnCl3]和[C4H8NH2][MnBr3](C4H8NH2+为吡咯烷阳离子)以及合成了铁电半导体[C6H5CH2NH3]2[PbCl4](C6H5CH2NH3+苄胺阳离子)和[C[A]2[P2Br4-4xI4x](x=0、0.1125、0.175,CHA为环已胺阳离子)。另外,本论文中FASnI3(FA为甲脒阳离子)无铅锡基钙钛矿太阳能电池和(FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4(MA为甲胺阳离子)锡铅掺杂钙钛矿太阳能电池PCE分别可以达到6.22%和15.08%。本论文主要研究内容如下:(1)第二章,[C4H8NH2][MnCl3]在 295K 发生了铁电相变,饱和极化为 5.5μC/cm2。[C4H8NH2][MnBr3]在219K发生了一个类似的铁电相变,饱和极化可以达到6μC/cm2。铁电性都来源于结构中[C4H8NH2]+的重新取向。在紫外灯下,两者都发出强的红光。光致发光光谱都在640 nm附近有一个强的红光发射峰,[C4H8NH2][MnCl3]和[C4H8NH2][MnBr3]的光致发光量子产率分别为56.7%和28.5%。同时[C4H8NH2][MnBr3]还表现出弱的铁磁性。(2)第三章,[C6H5CH2NH3]2[PbCl4]的铁电相变点在438K,饱和极化达到13μC/cm2。铁电性是由结构中的[C6H5CH2NH3]+的重新取向引起的。此外[C6H5CH2NH3]2[PbCl4]是个直接带隙半导体,带隙为3.65eV。[CHA]2[PbBr4]在367K发生了铁电相变,饱和极化达到5.8μC/cm2。[CHA]2[PbBr4-4XI4x](x = 0、0.1125、0.175)具有类似的结构和铁电性质。铁电性质都来源于CHA阳离子的重新取向。[CHA]2[PbBr4-4xI4x](x = 0、0.1125、0.175)都为直接带隙半导体,带隙可以在3.05-2.74eV之间调控并且保持良好的铁电性质。(3)第四章,通过在FASnI3钙钛矿前驱液中加入与钙钛矿的摩尔比为10%的SnF2,以乙醚作为反溶剂,用一步旋涂法制备到了高质量的FASnI3钙钛矿薄膜。采用简单的反型平面异质结电池结构 ITO(indium tin oxide)/PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate)/FASnI3/C60(fullerene)/BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-l,10-phenanthroline)/Ag,成功的将无铅锡基钙钛矿太阳能电池PCE提高到6.22%。(4)第5章,将FASnI3钙钛矿前驱液和MAPbI3钙钛矿前驱液按一定摩尔比进行混合,通过在一步旋涂法中用乙醚作为反溶剂萃取,得到带隙约为1.2 eV的高质量(FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4锡铅掺杂钙钛矿薄膜。采用简单的反型平面异质结电池结构ITO/PEDOT:PSS/(FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4/C60/BCP/Ag,成功的将低带隙锡铅掺杂钙钛矿太阳能电池的PCE突破到15.08%。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

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