有机-无机杂化钙钛矿薄膜制备及光电性能研究

摘要

近年来，有机-无机铅卤钙钛矿CH3NH3PbX3（X为Cl，Br，I）作为新型发光材料被广泛应用于太阳能电池研究领域。短短几年时间，这种新型钙钛矿太阳能电池的能量转换效率已经从4％提高至22.7％。研究发现，这类有机-无机杂化钙钛矿材料不但具备极强的光吸收能力、高载流子迁移率、发光寿命长、光谱可调控、易溶液法制备，而且拥有高光致发光量子效率、增益系数及低缺陷态密度等特性，使其在诸如发光二极管、激光发射、薄膜晶体管以及光电探测器等领域展现出诱人的应用前景。
　　本论文以溴基钙钛矿材料(CH3NH3PbBr3)为基础，借助电子探针(EPMA)、扫描电镜(SEM)、波谱分析(WDS)、X射线衍射(XRD)、光谱分析等方式分别对薄膜微观形貌、结晶情况以及光致发光(PL)特性进行表征。通过对钙钛矿薄膜成膜条件的优化，实现对薄膜形貌的调控。通过引入卤族元素Cl和I调控钙钛矿带隙，得到杂化钙钛矿CH3NH3PbBr3-xClx和CH3NH3PbBr3-xIx。在此基础上，设计并制备了高效稳定的钙钛矿型多色发光二极管(PeLEDs)。主要内容如下:
　　1、室温环境下，两步法合成CH3NH3PbBr3薄膜，通过改变前驱体溶液转速、退火温度以及PbBr2/CH3NH3Br的摩尔比例得到膜层优化生长的最佳条件，并制备出高质量的CH3NH3PbBr3薄膜。
　　2、室温环境下，在合成CH3NH3PbBr3薄膜的基础上，通过引入卤族元素Cl和I，得到杂化钙钛矿CH3NH3PbBr3-xClx和CH3NH3PbBr3-xIx。并对其生长条件进行优化，通过调控前驱体液的摩尔比、浓度以及退火温度，制备出高膜层覆盖率、光学性能良好的CH3NH3PbBr3-xClx和CH3NH3PbBr3-xIx薄膜。
　　3、在上述工作的基础上，设计并制备了结构为ITO/PEDOT∶PSS/CH3NH3PbBr3/PMMA/AZO/Ag的发光器件。对比发现，两步法沉积发光层更容易获得高效稳定的PeLEDs，而一步法沉积CH3NH3PbBr3薄膜表面存在大量空隙，造成器件漏电最终导致器件发光急剧衰减。为此，引入聚合物PMMA与钙钛矿形成CH3NH3PbBr3∶PMMA复合薄膜发光层，最终有效改善光衰减和发光不稳定现象，极大提高器件发光性能。最后，向发光层中引入卤素Cl，制备出结构为ITO/PEDOT∶PSS/CH3NH3PbBr3-xClx/PMMA/AZO/Ag的电致发光器件，最终实现青光出射。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 有机-无机钙钛矿材料的晶体结构与基本性质

1．2．2 有机-无机杂化钙钛矿材料的基本性质

1．3 钙钛矿材料在各领域的研究进展

1．3．1 钙钛矿在LED领域研究进展

1．3．2 钙钛矿在激光领域的研究进展

1．3．2 钙钛矿在太阳能电池领域的研究进展

1．4 本论文的选题依据以及研究内容

第二章 有机-无机杂化钙钛矿材料的制备与表征

2．1 引言

2．2 ABX3材料的制备原理

2．2 有机-无机杂化钙钛矿薄膜材料的制备方法

2．2．1 一步法

2．2．2 两步法

2．2．3 气相沉积

2．3 ABX3薄膜以及电致发光器件相关实验表征方法

2．3．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．2 PL光谱

2．3．3 XRD

2．3．4 EL光谱

2．3．5 整流特性曲线

2．4 本章小结

第三章 CH3NH3PbBr3薄膜材料的制备及其光学性能研究

3．1 引言

3．2 实验所需材料与仪器介绍

3．2．1 实验所用药品

3．2．2 实验相关仪器设备

3．3．2 前驱体溶液的配制

3．3．3 制备ITO／PEDOT：PSS复合衬底

3．3．4 两步溶液浸渍法制备CH3NH3PbBr3薄膜

3．3．5 工艺流程示意图

3．4 性能表征与分析

3．4．1 衬底ITO／PEDOT：PSS转速及退火温度对薄膜形貌的影响

3．4．2 PbBr2转速、温度及时间对CH3NH3PbBr3薄膜形貌及光学特性的影响

3．4．2 CH3NH3PbBr3退火温度及时间对薄膜形貌及光学特性的影响

3．4．3 前驱体摩尔比对CH3NH3PbBr3薄膜形貌及光学特性的影响

3．5 本章小结

第四章 Cl、I掺杂CH3NH3PbBr3的薄膜制备及其光学性能研究

4．1 引言

4．2 实验所需材料与仪器介绍

4．2．1 实验所用药品

4．2．2 实验相关仪器设备

4．3 CH3NH3PbBr3-xClx和CH3NH3PbBr3-xIx薄膜材料的制备

4．3．1 一步溶液法前驱体溶液的配制

4．3．2 一步溶液法制备CH3NH3PbBr3-xClx和CH3NH3PbBr3-xIx薄膜

4．3．3 工艺流程示意图

4．4 性能表征与结果分析

4．4．1 前驱体摩尔比对CH3NH3PbBr3-xClx薄膜形貌及光学特性的影响

4．4．2 退火温度对CH3NH3PbBr3-xClx薄膜形貌及光学特性的影响

4．4．3 前驱体浓度对CH3NH3PbBr3-xIx薄膜形貌及光学特性的影响

4．4．4 退火温度对CH3NH3PbBr3-xIx薄膜形貌及光学特性的影响

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 PeLEDs的制备过程

5．2．1 实验所用药品

5．2．2 实验相关仪器设备

5．2．3 PeLED实验流程

5．3 PeLED发光器件的性能表征与讨论

5．3．1 ITO／PEDOT：PSS／CH3NH3PbBr3／PMMA／AZO／Ag

5．3．2 ITO／PEDOT：PSS／CH3NH3PbBr3：PMMA／PMMA／AZO／Ag

5．3．3 ITO／PEDOT：PSS／CH3NH3PbBr3-xClx／PMMA／AZO／Ag

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文情况