无机非铅锑基钙钛矿及其光电器件研究

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作为一种新型材料,钙钛矿因其优越的光电性能被广泛应用于各种领域的研究。在短短的几年内,其中钙钛矿太阳能电池,光电转换效率从最初的3.8%被迅速提高升至24%;钙钛矿发光二极管的外量子效率也已经超过20%,而且可以实现光谱可调。尽管钙钛矿拥有诸多的优点,但是在商业应用前,该材料还存在一些亟待解决的问题:重金属铅元素的毒性以及器件对环境的敏感性。为解决以上两个关键性问题,本论文开发了一种稳定的无机非铅锑基钙钛矿材料。通过对锑基钙钛矿单晶的生长和表征分析,初步了解了该材料的基本物性。在此基础上,制备得到性能优良的钙钛矿量子点和薄膜,并分别应用于发光二极管以及太阳能电池的研究中。本文的主要内容从如下几部分展开:(1)Cs3Sb2X9(X=Br、I)钙钛矿单晶的生长及其基本性质研究。采用蒸发溶剂法和降温法,分别生长了Cs3Sb2Br9、Cs3Sb2I9单晶。通过XRD表征分析出Cs3Sb2Br9钙钛矿为二维层状结构,而Cs3Sb2I9存在零维和二维两种结构。并对单晶进行基本的光电性质测试,发现Cs3Sb2X9材料拥有较高的吸光度、较强的光电响应以及较合适的禁带宽度,其中Cs3Sb2Br9单晶的带隙为2.36 eV,零维和二维结构的Cs3Sb2I9单晶带隙分别为2.40和2.05 eV,表明Cs3Sb2X9材料具备应用于光电器件的前景。(2)Cs3Sb2X9量子点的制备及其发光二极管应用研究。采用配体辅助再沉淀法并优化反应条件,制备得到高荧光量子产率的Cs3Sb2X9量子点,其中蓝光Cs3Sb2Br9量子点的量子产率高达46%。随后提出并证明了量子点表面富集卤素离子引起的类量子阱结构与其较大的激子结合能(530 meV)的协同作用对高荧光量子产率的重要贡献。基于Cs3Sb2X9量子点优良的荧光性质,我们将蓝光Cs3Sb2Br9量子点、绿光Cs3Sb2I9量子点与红色荧光粉混合制备出了色坐标接近标准光源的白光LED。(3)Cs3Sb2I9薄膜的制备及其太阳能电池应用研究。通过盐酸辅助溶液法成功制备出层状结构的Cs3Sb2I9薄膜,并基于FTO/TiO2/Cs3Sb2I9/Au全无机结构,获得稳定性良好、光电转换效率(PCE)为1.2%、开路电压为0.61 V以及短路电流密度为3.55 mA cm-2的钙钛矿太阳能电池器件。同时,通过空间电荷限制电流、变温电流-电压、变温开路电压等表征分析了器件中存在的缺陷对器件性能的影响。
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