CH3NH3PbI3薄层及TiO2-CH3NH3PbI3界面的构建和拉曼光谱研究

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钙钛矿太阳能电池是以具有钙钛矿结构的有机金属卤化物作为光吸收、光电转换以及光生载流子输运材料的新型薄膜太阳能电池。作为第三代太阳能电池,钙钛矿太阳能电池只用了短短5年效率便达到了20%,受到研究者的亲睐和高度关注。然而,太阳能电池的性能不仅依赖于吸光体的体相性质,界面结构和电子结构也制约着电池性能的发挥。钙钛矿太阳能电池也不例外,界面结构及由此导致的电子结构直接影响界面能级匹配、界面电场以及电荷分离和转移动力学等光电性质,从而影响电池效率和稳定性。对这些问题的研究也形成了钙钛矿太阳能电池界面工程的研究方向,界面的优化设计依赖于对界面结构和性质的充分理解。尽管近年来钙钛矿太阳能电池界面结构和性质受到日益重视,但对其理解仍然十分有限,亟待通过发展方法学加以深入研究,为界面改性提供依据和指导。  2010年,田中群研究组提出了以Au@SiO2为代表的壳层隔离纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)技术,即利用Ag和Au等贵金属纳米粒子在可见光区发生局域表面等离子体共振(LSPR)效应来增强局域表面光电场,该纳米粒子与惰性超薄层构成的核壳结构则使得这类增强更适用于单晶表面等简单体系的研究,该方法具有更高的检测灵敏度,并且可以在形貌各异的各种材料上得到广泛应用。为了研究钙钛矿太阳能电池中的二氧化钛-钙钛矿材料界面(TiO2-CH3NH3PbX3)间化学键的作用,利用Ag@TiO2活性壳层纳米粒子与钙钛矿CH3NH3PbI3构建TiO2-CH3NH3PbI3界面并用拉曼光谱进行研究。  本论文通过有机溶剂自组装有序的Ag@TiO2活性壳层纳米粒子组装体,利用这种有序Ag@TiO2纳米组装体做基底构建TiO2-CH3NH3PbI3界面,并使用拉曼光谱仪对该界面进行研究。主要研究内容与结果如下:  (1)合成粒径100-110 nm左右的Ag@TiO2活性壳层纳米粒子,并探索了组装单层、有序Ag@TiO2活性壳层纳米粒子的方法。有序的纳米组装体被用作本论文的表面拉曼增强基底,本论文采用两种组装有序单层纳米粒子的方法:方法一,使用乙醇在FTO导电玻璃(掺杂氟的SnO2透明导电玻璃,简称FTO)表面组装单层纳米粒子;方法二,使用1,2-二氯乙烷有机溶剂自组装纳米粒子,利用水相及有机相液液界面(LLI)间界面能降低,Ag@TiO2纳米粒子自发从水相中聚集到两相界面形成单层膜。  (2)构建薄的TiO2-CH3NH3PbI3界面,以利于获取反映固-固界面化学作用的Raman光谱。探索和比较了旋涂法及电化学方法构建界面这两种方法:旋涂法将CH3NH3PbI3的DMF溶液旋涂到Ag@TiO2纳米组装体表面,操作简单,但无法准确控制CH3NH3PbI3晶体层厚度,CH3NH3PbI3本体信号太强不利于界面信息采集;方法二,电化学方法通过恒电位和扫描伏安技术在Ag@TiO2纳米组装体表面电沉积超薄的碘化铅晶体,然后将其转化为CH3NH3PbI3晶体,其优点是可控性强,可以较准确地控制碘化铅电沉积的量从而控制CH3NH3PbI3晶体层厚度。  (3)使用拉曼光谱仪对TiO2-CH3NH3PbI3界面进行光谱表征,通过比较碘化铅、CH3NH3PbI3固体和Ag@TiO2纳米粒子的信号,对所得拉曼光谱信息进行分析。
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