CsFAMA三元阳离子钙钛矿薄膜载流子复合过程研究
发布时间：2021-02-27 23:50
在对太阳能电池的不断研究中发现钙钛矿太阳能电池在转换效率上与其它太阳能电池相比具有明显优势。同时钙钛矿太阳能电池制作工艺相对简单,特性优异,在光伏领域越来越受到人们的青睐。在这一背景下,进一步了解钙钛矿材料的光电特性,对继续提升钙钛矿太阳能电池的转换效率以及在钙钛矿材料的应用方面均具有非常重要的价值。本文以CsFAMA三元阳离子钙钛矿薄膜为研究对象,以荧光光谱技术和微波光电导技术为主要测量手段,对其发光过程,微波光电导响应等性质进行了实验研究。获得了CsFAMA三元阳离子钙钛矿薄膜载流子复合过程的相关信息。主要研究内容分为两部分:一、采用稳态荧光（PL）光谱技术以及时间分辨光致发光（TRPL）光谱技术对不同热力学温度和不同激发光强下的CsFAMA三元阳离子钙钛矿薄膜光致发光过程进行研究。通过PL光谱得到室温下CsFAMA钙钛矿薄膜发光峰位在1.6 eV左右,结合通过透射光谱得到的带隙1.61 eV,可知发光峰位较薄膜带隙略小,证实存在带尾态发光过程。在变温实验中将热力学温度由15 K逐步增加至295 K（以10K为一个间隔进行光谱数据采集）。结果表明随着热力学温度升高光谱中心波长出现蓝...
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钙钛矿材料结构示意图
第二章激发态载流子弛豫动力学的理论基础5第二章激发态载流子弛豫动力学的理论基础2.1半导体中的瞬态物理过程在不同的时间尺度下，半导体中载流子可能发生的物理过程不同，这些不同的物理过程综合决定了半导体器件的工作状态和性质。半导体中的电子受到激发会发生弛豫，弛豫过程中有多个瞬间状态。对这些瞬间状态进行研究，能深一步了解半导体光电器件载流子弛豫过程，有助于在器件效率和应用方面提供一定理论依据。当一束脉冲光作用在半导体上时，会发生吸收、反射和透射现象。当脉冲光光子的能量比半导体禁带宽度大时，电子会吸收光子能量，从价带跃迁到导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空穴对[36]。这些处于非平衡状态的载流子在经过一段时间和空间演化后会重新恢复到平衡状态。光生载流子复合过程包括载流子-载流子散射，载流子-声子散射，辐射复合，俄歇复合，自旋弛豫，热扩散等，如图2-1所示。其中，电子和空穴辐射时会释放一定的能量，能量以光子的形式放出的复合称为辐射复合。辐射复合一般发生在百十飞秒到微秒量级。俄歇复合是电子与空穴复合时通过碰撞把能量传递给另一个电子和空穴，使其发生跃迁的过程[37]，该复合过程是多载流子状态下的主要非辐射衰变途径[38]。俄歇复合更多的是在窄禁带和加热的材料中产生，是影响半导体发光效率的主要原因，一般发生在几皮秒至几纳秒之间。载流子-载流子散射和载流子-声子散射一般发生在百飞秒的时间内[39]。而半导体中的自旋弛豫十分复杂，需要考虑激子的影响。并且除了温度和杂质浓度，自旋弛豫后还对电场磁场等极为敏感。这些不同的物理过程发生在飞秒到毫秒之间，其中有些过程可能会同时发生。图2-1不同载流子动力学过程发生的时间尺度[39]
第二章激发态载流子弛豫动力学的理论基础7图2-2(a)电子-空穴对的直接跃迁复合示意图(b)电子-空穴对的间接跃迁复合示意图(1)带间的直接跃迁复合一般发生在直接带隙半导体内，对于直接带隙半导体，其导带最小值和价带最大值均位于布里渊区的中心。导带电子与价带空穴复合满足动量守恒，形成直接跃迁[44]。这种直接带隙的带间复合寿命很短，一般为10-8-10-9s。其发射光谱在靠近禁带宽度能量的狭窄范围内。(2)带间的间接跃迁复合间接带隙半导体的导带极小值和价带的极大值的位置在布里渊区空间是不一样的，因此这种跃迁为非竖直跃迁，要满足动量守恒就需要声子的参与，从而形成间接跃迁。一般带间复合发光发出的光子能量大于带隙，带间跃迁发光强度为：Sbulk={A√w-Egexp(-w-EgkBT),w≥Eg0,其余(2.1)式中Sbulk为发光强度，w为光子能量，Eg为禁带宽度，T为等效温度，kB为波尔曼常量，A为比例系数。2、激子复合激子是指电子和空穴由于库仑作用结合在一起的呈电中性的粒子[45]，激子分为自由激子和束缚激子。(1)自由激子复合在本征半导体内一般存在的为自由激子,自由激子可以在晶体中作为一个整体运动，但不传输电荷。在直接带隙半导体中，自由激子复合满足动量守恒，发射的光子能量[46]为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同湿度环境下CH3NH3PbI3薄膜的退化过程[J]. 高晓赫,马晓燕,谷雨,赵明明,张玮,党伟,袁小先. 河北大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]含铯卤化钙钛矿的研究进展[J]. 王波,李金凯,王文志,刘斌,刘宗明. 中国粉体技术. 2019(05)
[3]钙钛矿太阳能电池研究进展[J]. 白宇冰,王秋莹,吕瑞涛,朱宏伟,康飞宇. 科学通报. 2016(Z1)
[4]微波光电导衰减法测量N型4H-SiC少数载流子寿命[J]. 高冬美,陆绮荣,韦艳冰,黄彬. 激光技术. 2011(05)
[5]半导体物理效应与光电子高技术产业[J]. 王启明. 物理. 2002(07)
[6]荧光衰减曲线的一种多指数拟合方法[J]. 林久令,董志山,张秀峰,骆永石,王遵立,孙铁铮,林海,刘行仁. 发光学报. 2002(01)
博士论文
[1]基于CH3NH3PbI3（Cl）的钙钛矿太阳能电池的光伏过程研究[D]. 鲁凯.华中科技大学 2018
[2]钙钛矿太阳电池的高可重现性与大面积制备技术研究[D]. 张志荣.华北电力大学(北京) 2017
[3]用于有机太阳能电池的共轭聚合物设计合成与器件研究[D]. 俞江升.南京理工大学 2017
[4]钙钛矿半导体中的瞬态物理过程研究[D]. 陈奇.南京大学 2016
[5]低维MoS2的制备及光学特性研究[D]. 李雪.长春理工大学 2016
[6]ZnTe薄膜和GaN基异质结构的制备及光学特性[D]. 黄树来.山东大学 2014
[7]ZnO基稀磁半导体的制备与性质研究[D]. 夏川茴.重庆大学 2010
硕士论文
[1]甲胺基铅卤钙钛矿晶体的生长与性能研究[D]. 周怡安.山东大学 2018
[2]光浴对CH3NH3PbI3薄膜载流子复合过程的作用机理研究[D]. 白晶晶.河北大学 2016
[3]混合溶剂退火诱导钙钛矿结晶及其在钙钛矿太阳能电池中的应用与研究[D]. 余浩.苏州大学 2016
[4]β-In2S3的热解法制备及其光谱性质研究[D]. 郭淑云.大连海事大学 2012
[5]新型宽禁带半导体MgxZn1-xO薄膜光学性质的研究[D]. 赵懿琨.山东大学 2006
本文编号：3054984
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钙钛矿材料结构示意图
第二章激发态载流子弛豫动力学的理论基础5第二章激发态载流子弛豫动力学的理论基础2.1半导体中的瞬态物理过程在不同的时间尺度下，半导体中载流子可能发生的物理过程不同，这些不同的物理过程综合决定了半导体器件的工作状态和性质。半导体中的电子受到激发会发生弛豫，弛豫过程中有多个瞬间状态。对这些瞬间状态进行研究，能深一步了解半导体光电器件载流子弛豫过程，有助于在器件效率和应用方面提供一定理论依据。当一束脉冲光作用在半导体上时，会发生吸收、反射和透射现象。当脉冲光光子的能量比半导体禁带宽度大时，电子会吸收光子能量，从价带跃迁到导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空穴对[36]。这些处于非平衡状态的载流子在经过一段时间和空间演化后会重新恢复到平衡状态。光生载流子复合过程包括载流子-载流子散射，载流子-声子散射，辐射复合，俄歇复合，自旋弛豫，热扩散等，如图2-1所示。其中，电子和空穴辐射时会释放一定的能量，能量以光子的形式放出的复合称为辐射复合。辐射复合一般发生在百十飞秒到微秒量级。俄歇复合是电子与空穴复合时通过碰撞把能量传递给另一个电子和空穴，使其发生跃迁的过程[37]，该复合过程是多载流子状态下的主要非辐射衰变途径[38]。俄歇复合更多的是在窄禁带和加热的材料中产生，是影响半导体发光效率的主要原因，一般发生在几皮秒至几纳秒之间。载流子-载流子散射和载流子-声子散射一般发生在百飞秒的时间内[39]。而半导体中的自旋弛豫十分复杂，需要考虑激子的影响。并且除了温度和杂质浓度，自旋弛豫后还对电场磁场等极为敏感。这些不同的物理过程发生在飞秒到毫秒之间，其中有些过程可能会同时发生。图2-1不同载流子动力学过程发生的时间尺度[39]
第二章激发态载流子弛豫动力学的理论基础7图2-2(a)电子-空穴对的直接跃迁复合示意图(b)电子-空穴对的间接跃迁复合示意图(1)带间的直接跃迁复合一般发生在直接带隙半导体内，对于直接带隙半导体，其导带最小值和价带最大值均位于布里渊区的中心。导带电子与价带空穴复合满足动量守恒，形成直接跃迁[44]。这种直接带隙的带间复合寿命很短，一般为10-8-10-9s。其发射光谱在靠近禁带宽度能量的狭窄范围内。(2)带间的间接跃迁复合间接带隙半导体的导带极小值和价带的极大值的位置在布里渊区空间是不一样的，因此这种跃迁为非竖直跃迁，要满足动量守恒就需要声子的参与，从而形成间接跃迁。一般带间复合发光发出的光子能量大于带隙，带间跃迁发光强度为：Sbulk={A√w-Egexp(-w-EgkBT),w≥Eg0,其余(2.1)式中Sbulk为发光强度，w为光子能量，Eg为禁带宽度，T为等效温度，kB为波尔曼常量，A为比例系数。2、激子复合激子是指电子和空穴由于库仑作用结合在一起的呈电中性的粒子[45]，激子分为自由激子和束缚激子。(1)自由激子复合在本征半导体内一般存在的为自由激子,自由激子可以在晶体中作为一个整体运动，但不传输电荷。在直接带隙半导体中，自由激子复合满足动量守恒，发射的光子能量[46]为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同湿度环境下CH3NH3PbI3薄膜的退化过程[J]. 高晓赫,马晓燕,谷雨,赵明明,张玮,党伟,袁小先. 河北大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]含铯卤化钙钛矿的研究进展[J]. 王波,李金凯,王文志,刘斌,刘宗明. 中国粉体技术. 2019(05)
[3]钙钛矿太阳能电池研究进展[J]. 白宇冰,王秋莹,吕瑞涛,朱宏伟,康飞宇. 科学通报. 2016(Z1)
[4]微波光电导衰减法测量N型4H-SiC少数载流子寿命[J]. 高冬美,陆绮荣,韦艳冰,黄彬. 激光技术. 2011(05)
[5]半导体物理效应与光电子高技术产业[J]. 王启明. 物理. 2002(07)
[6]荧光衰减曲线的一种多指数拟合方法[J]. 林久令,董志山,张秀峰,骆永石,王遵立,孙铁铮,林海,刘行仁. 发光学报. 2002(01)
博士论文
[1]基于CH3NH3PbI3（Cl）的钙钛矿太阳能电池的光伏过程研究[D]. 鲁凯.华中科技大学 2018
[2]钙钛矿太阳电池的高可重现性与大面积制备技术研究[D]. 张志荣.华北电力大学(北京) 2017
[3]用于有机太阳能电池的共轭聚合物设计合成与器件研究[D]. 俞江升.南京理工大学 2017
[4]钙钛矿半导体中的瞬态物理过程研究[D]. 陈奇.南京大学 2016
[5]低维MoS2的制备及光学特性研究[D]. 李雪.长春理工大学 2016
[6]ZnTe薄膜和GaN基异质结构的制备及光学特性[D]. 黄树来.山东大学 2014
[7]ZnO基稀磁半导体的制备与性质研究[D]. 夏川茴.重庆大学 2010
硕士论文
[1]甲胺基铅卤钙钛矿晶体的生长与性能研究[D]. 周怡安.山东大学 2018
[2]光浴对CH3NH3PbI3薄膜载流子复合过程的作用机理研究[D]. 白晶晶.河北大学 2016
[3]混合溶剂退火诱导钙钛矿结晶及其在钙钛矿太阳能电池中的应用与研究[D]. 余浩.苏州大学 2016
[4]β-In2S3的热解法制备及其光谱性质研究[D]. 郭淑云.大连海事大学 2012
[5]新型宽禁带半导体MgxZn1-xO薄膜光学性质的研究[D]. 赵懿琨.山东大学 2006
本文编号：3054984
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