二维混合阳离子有机-无机杂化钙钛矿(GA)(MA)2Pb2I7的高压研究

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近年来,有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿因其在光伏、光电领域的优异性能和应用前景成为最热门的光电材料之一。2009年,日本的Tsutomu Miyasaka教授和他的团队首次报道了以有机-无机铅基卤化物钙钛矿作为吸收层的太阳能电池,其光电转换效率仅为3.8%。到现在为止,美国国家可再生能源实验室认证的钙钛矿太阳能电池光电转换效率已经激增到24.2%。除了高效率之外,有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿材料应用的另一个关键因素就是其在环境条件和应用条件下的稳定性。与三维钙钛矿相比,二维有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿具有许多不可替代的优点,如:稳定性高、光学和电子性能的可调性以及有机阳离子的可调性。基于其独特的层状结构,这使得它们成为高效率和大尺寸太阳能电池的稳定替代品,进而大大推动钙钛矿基太阳能电池的进一步商业化应用。二维钙钛矿具有独特的层状结构,主要由1 nm左右的有机层和0.6 nm的无机层组成。有机层的能隙比无机层的能隙高出至少3 eV。因此,二维层状钙钛矿材料表现出天然的量子阱结构,有机阳离子作为势垒,而无机骨架作为势阱。得益于这种独特的层状结构,二维有机-无机杂化钙钛矿材料的结构变化势必会产生出许多新奇的物理现象。压力是调整和改变晶体结构的一个简单有效的工具,利用金刚石对顶砧高压技术对二维钙钛矿进行研究,不仅有助于揭示钙钛矿体系的结构与性质的内在关系,还可以为寻找更优异的新型光电材料提供理论指导。通过高压荧光光谱、高压紫外-可见吸收光谱、高压红外光谱以及高压XRD衍射实验系统地研究了二维层状钙钛矿(C(NH23)(CH3NH32Pb2I7的结构和光学性能的关系。我们发现(C(NH23)(CH3NH32Pb2I7在高压下荧光发射强度出现了明显的增强,当压力到达1.3 GPa时,荧光强度开始减弱,7.0 GPa时荧光完全消失。同时,其光学带隙经历了减小-增大-减小的过程。X射线衍射实验结果表明,样品在7.0 GPa之前结构对称性保持不变,随着压力的增大结构逐渐非晶化。我们推测了两种不同的压缩机制,分别由较软的易压缩的有机阳离子层和较硬的难压缩的无机八面体层的压缩来支配。对比卸压前后样品的光学性质变化,我们发现样品从暗红色变成了黑色,带隙也从2.00 eV减小到了1.79 eV,减小了0.21eV。本论文主要探索了高压下二维钙钛矿的结构-性质关系,为进一步发展先进的钙钛矿器件提供了新的策略。
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