【摘 要】
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受益于有机无机杂化钙钛矿(hybrid organic-inorganicperovskites,HOIPs)突出的光电性能和易于制备的特点,近些年来HOIPs已经被广泛地应用于光电和纳米光子器件,并在光电转化效率方面取得了一个又一个的突破。目前,阻碍HOIPs商业化的主要问题是其在正常工作环境下表现的不稳定性。比如,纯的FAPbI3(FAPI)钙钛矿在水分影响下表现出较差的稳定性,黑色的α光电钙
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受益于有机无机杂化钙钛矿(hybrid organic-inorganicperovskites,HOIPs)突出的光电性能和易于制备的特点,近些年来HOIPs已经被广泛地应用于光电和纳米光子器件,并在光电转化效率方面取得了一个又一个的突破。目前,阻碍HOIPs商业化的主要问题是其在正常工作环境下表现的不稳定性。比如,纯的FAPbI3(FAPI)钙钛矿在水分影响下表现出较差的稳定性,黑色的α光电钙钛矿相非常容易转变成非光敏的黄色δ相。这种结构的转变严重降低了 HOIPs的光电性能。为了解决这一问题,添加剂和组分调控被广泛地研究以提高HOIPs的光电性能和环境稳定性。添加剂工程通常将定量的有机物添加到前驱体溶液中,添加的有机物有助于降低样品的缺陷态密度,同时也能改善样品的形貌。有时候具有疏水性的添加剂将自发地沿晶体表面和晶界分布,从而保护钙钛矿免受水分干扰。相比之下,组分调控可以在钙钛矿结构中引入不同的离子,从而改善钙钛矿材料的本质特性,因此在近十年来被广泛学习。为了揭示添加剂和组分工程对HOIPs性能的影响,各种各样的方法已经被用于研究其衰减过程。最大功率点追踪方法被用于表征基于HOIPs的太阳能电池的性能衰减过程。但是,将HOIPs结合到层状太阳能电池时,其相邻层和界面都会对钙钛矿层的稳定性施加额外效果,这对清楚地观察衰减过程是非常不利的。因此其他的方法比如弹性和介电测量、荧光和吸收谱都被用来观察HOIPs的衰减过程。此外,瞬态吸收光谱和光泵浦太赫兹探测谱也用于研究不同钙钛矿结构的载流子动力学变化过程。然而,目前的研究重心更加集中在HOIPs的性能优化上,在衰减周期的载流子动力学和光物理性质变化依然是知之甚少的。在本论文中,我们使用了非接触的光泵浦太赫兹探测光谱观察了 HOIPs的衰减过程。选择了二维PEA2PbI4钝化的和Cs稳定的样品与纯FAPbI3样品进行对比观察,着重研究了衰减周期内载流子动力学和光物理性质的变化。本论文主要分为四章,具体内容如下:第一章是绪论,主要分为两部分。第一部分介绍了太赫兹波的基本特性、主要的太赫兹波产生与探测方法以及目前常用的三种太赫兹光谱,最后简单描述了太赫兹波的几种应用前景。第二部分我们首先介绍了有机无机杂化卤化铅钙钛矿体系,并对其进行了简单的分类。在末尾介绍了论文的选题依据以及工作的出发点。第二章是实验方法和数据处理,主要分为样品制备、表征手段和数据处理。介绍了几种常用的HOIPs合成方法,包括溶剂型生长,胶体型生长,气相与液相外延生长,机械球磨法。在本节最后部分,也简单介绍了几种常用的单晶合成策略。第二部分主要介绍几种样品表征方法,重点集中在光泵浦太赫兹探测光谱技术。在本章末尾,详细介绍了太赫兹谱解析的依据以及具体方法。第三章是光泵浦太赫兹探测光谱在有机无机杂化钙钛矿衰减周期的应用,是文章的核心部分,我们对实验结果进行了总结和诠释。我们发现,FA0.9Cs0.1PbI3薄膜的光电导率和载流子迁移率稳定衰减,而二维钙钛矿PEA2PbI4钝化的FAPbI3薄膜的光电导率和载流子迁移率却显示出一个临界时间点,超过该临界点,其光电导和载流子迁移率将会呈现出一个加速的衰减。此外,根据Drude-Smith模型的拟合结果,我们还发现载流子的局域化随着相变过程的进行而增加,结合前人的文献报告,当引入较小含量的PEA分子时,PEA分子将在晶界和表面形成二维PEA2PbI4并抑制水在晶界上的聚集以及离子迁移。将Cs掺杂进入钙钛矿结构中有利于优化其结构的Goldschmidt容忍因子并使其能量上不利于α→δ相变。这些结果表明,Cs掺入的稳定作用是连续的,而PEA2PbI4的钝化作用将会被新出现的相界削弱。该报告从一个新的角度阐明了HOIPs的降解过程。第四章总结了论文的主要内容,提出了课题研究的创新之处。并对通过HOIPs实现太赫兹超快调控方向进行了展望。
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