鉛錳鈣鈦礦材料的合成、表征及其光電特性研究.pdf

1、近幾年鈣鈦礦太陽電池發(fā)展迅猛，達(dá)到與晶體硅太陽能電池相媲美的水平，已達(dá)到了22％的光電轉(zhuǎn)換效率，但其中鈣鈦礦材料的鉛元素的毒性限制了該種太陽電池的應(yīng)用潛力，研究開發(fā)低成本、高效率、環(huán)境友好的無鉛太陽電池材料具有十分重要的意義。本論文擬首先通過對(duì)經(jīng)典鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3的晶體結(jié)構(gòu)的研究，然后設(shè)計(jì)合成新的無鉛鈣鈦礦光電功能材料，進(jìn)而構(gòu)造成完整的鈣鈦礦太陽電池器件。
　　多晶鈣鈦礦薄膜中存在著大量晶界、缺陷和陷阱態(tài)，因此很難確

2、定鈣鈦礦的基本性質(zhì)及其光電特性。單晶快速方便的培養(yǎng)方法之一是反溶劑擴(kuò)散法。通過反溶劑擴(kuò)散的方法我們培養(yǎng)出了CH3NH3PbI3（MAPbI3）的單晶，通過研究不同的擴(kuò)散溶劑發(fā)現(xiàn)，在用乙醚、二氯甲烷、四氫呋喃、三氯甲烷作為擴(kuò)散溶劑時(shí)，只有用乙醚作為擴(kuò)散劑時(shí)可以通過擴(kuò)散誘導(dǎo)的方法生長(zhǎng)出CH3NH3PbI3單晶；通過研究單晶的物相結(jié)構(gòu)，揭示了形成鈣鈦礦單晶的機(jī)制；通過XRD研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦單晶是經(jīng)過最初的層狀PbI2結(jié)構(gòu)然后轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝畹腍xP

3、bI2+x·xH2O，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的MAPbI3單晶。我們進(jìn)一步考察了MAPbI3單晶在六種溶液中的的溶解行為。研究結(jié)果表明，含有KI的溶液明顯促進(jìn)了MAPbI3單晶的分解，而飽和的CH3NH3I（MAI）溶液明顯抑制了MAPbI3單晶結(jié)構(gòu)的分解。最后，通過紫外可見吸收光譜和固體積分球漫反射光譜和穩(wěn)態(tài)熒光光譜對(duì)MAPbI3單晶的光電特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明 MAPbI3單晶的帶隙為1.5 eV，其776 nm處的熒光峰小于U

4、V-vis吸收的截止邊緣，因此單晶體系中可以產(chǎn)生激子的二次利用。
　　盡管CH3NH3PbI3鈣鈦礦效率較高，但是其結(jié)構(gòu)中含有重金屬Pb，毒性較大，如果產(chǎn)業(yè)化之后對(duì)環(huán)境勢(shì)必產(chǎn)生較大的影響。設(shè)計(jì)合成新的無鉛有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦材料并研究其光電性能，具有很強(qiáng)的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。本論文通過緩慢降溫?fù)]發(fā)溶劑的方法，合成了無鉛的有機(jī)無機(jī)層狀鈣鈦礦(CH3NH3)2MnCl4單晶；二氧化鈦薄膜控制了(CH3NH3)2MnCl4薄膜主要沿著（010

5、）晶向生長(zhǎng)。在組裝成完整的太陽能電池器件后，測(cè)試發(fā)現(xiàn)其具有明顯的光電壓和光電流響應(yīng)。
　　設(shè)計(jì)合成出了無鉛的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦材料a-CH3NH3MnI3（a-MAMnI3），通過利用紫外可見吸收光譜對(duì)其薄膜進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)a-MAMnI3的吸收特性與經(jīng)典鈣鈦礦材料MAPbI3的相符，但是吸收強(qiáng)度不如含鉛鈣鈦礦的強(qiáng)，這也可能是導(dǎo)致后面光電響應(yīng)較低的原因之一。通過制備成完整的太陽能電池器件，研究了器件的光電特性，發(fā)現(xiàn)具有明顯的光電響應(yīng)，并