钙钛矿材料的形成机理、电子结构及空穴传输性质研究

摘要

基于有机无机杂化钙钛矿材料的太阳电池效率从2009年的3.8％增长到如今的22.1％，因其较高的光吸收系数、较低的成本及易于制备等优势吸引了越来越多的关注。虽然人们在器件的转换效率方面取得了重大进展，但对于钙钛矿的基本形成机理方面的理解仍旧不完全。
　　本论文主要利用光电子能谱技术（包括XPS和UPS）以及同步辐射技术中的X射线吸收光谱(XAS)研究了有机卤化钙钛矿薄膜材料在衬底上的形成机理、电子结构、界面空穴传输性质以及钙钛矿材料中有机阳离子分子在材料中的取向问题的研究。其主要内容包括:
　　(1)钙钛矿薄膜材料（CH3NH3PbI3和CH3NH3PbI3-xClx）的基本形成机理。通过原位XPS表征技术，我们分析了CH3NH3I连续沉积到PbI2(PbCl2)层过程中的化学反应产物。这种沉积方法模拟了常用溶液法制备钙钛矿的“两步”合成法。我们发现，钙钛矿CH3NH3PbI3(CH3NH3PbI3-xClx)的形成过程中存在几个竞争的过程，特别是CH3NH3I可以分解成CH3I和NH3，前者分子可以嵌入到所得的钙钛矿中。这些发现对于不同的合成方法如何影响CH3NH3PbI3(CH3NH3PbI3-xClx)太阳能电池的性能提供了重要的见解。
　　(2)钙钛矿CH3NH3PbI3-xClx/NPB界面的电子结构和空穴传输性。我们通过原位UPS的表征技术，分析了不同方法制备（旋涂法、混蒸法、逐层沉积法）所得到的钙钛矿CH3NH3PbI3-xClx与NPB界面的电子结构和空穴传输性。我们发现不同方法制备所得到的钙钛矿CH3NH3PbI3-xClx产生相似的芯能级光谱曲线以及能带结构，而NPB可以作为合适的空穴传输层只用于旋涂的钙钛矿薄膜，较大的空穴传输势垒出现在其他两个热沉积方法得到的薄膜中。
　　(3)钙钛矿薄膜材料的有机分子的分子取向。通过XAS谱对有机分子CH3NH3+和(HC(NH2)2)+在钙钛矿材料中分子取向问题研究。对CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜材料，我们通过一步溶液法和两步溶液法来制备。我们发现，XAS的测量结果可以通过简单的晶体场模型精确地可以来得出基态未占用轨道态密度。我们进一步，从分析XAS图谱数据得到，一步溶液法制备的钙钛矿薄膜具有一定的角度依赖性，表明CH3NH3+分子的有一致的空间取向，而角度依赖性随着膜厚度的增加而降低。对通过两步沉积方法制备的膜中没有观察到角度依赖性。而对于钙钛矿薄膜HC(NH2)2PbI3材料，也是通过一步溶液法来制备。我们发现，通过改变退火温度，得到两个不一样的钙钛矿晶体结构，但是通过角分辨XAS测量得到HC(NH2)2分子的空间取向具有相同特征。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 钙钛矿太阳能电池介绍

1．2．1 电池发展历史介绍

1．2．2 有机铅卤化钙钛矿的物理结构及其特性

1．3 光电子能谱技术介绍

1．3．1 光电子能谱发展历史

1．3．2 X射线光电子能谱(XPS)介绍

1．3．3 紫外光电子能谱(UPS)介绍

1．4 同步辐射光谱技术介绍

1．4．1 同步辐射光谱发展历史

1．4．2 X射线吸收光谱

1．4．3 有机材料的X射线吸收能谱

1．5 论文选题的研究意义

1．6 本论文主要工作

参考文献

第二章 相关理论与实验技术介绍

2．1 相关理论介绍

2．1．1 X射线源

2．1．2 真空紫外源

2．1．3 同步辐射X射线源

2．2 实验相关仪器设备

2．2．1 X射线粉末衍射仪(XRD)

2．2．2 紫外光电子能谱和X射线光电子能谱

2．2．3 同步辐射能谱-X射线吸收光谱学

2．3 样品的制备过程和测量

2．3．1 钙钛矿化合物的制备合成

2．3．2 钙钛矿化合物的测量

参考文献

第三章 基于有机／无机钙钛矿化合物的形成机理研究

3．1 引言

3．2 钙钛矿薄膜CH3NH3PbI3的形成机理研究

3．3 钙钛矿薄膜CH3NH3PbI3-xClx的形成机理研究

3．4 本章小结

参考文献

第四章 基于有机／无机钙钛矿化合物的空穴传输性质研究

4．1 引言

4．2 运用不同方法合成得到钙钛矿薄膜CH3NH3PbI3-xClx的空穴传输性的比较研究

4．3 运用不同方法合成得到钙钛矿薄膜CH3NH3PbI3-xClx的电子结构的比较研究

4．4 本章小结

参考文献

第五章 基于有机／无机钙钛矿化合物的有机分子的分子取向问题的研究

5．1 引言

5．2 钙钛矿薄膜CH3NH3PbI3中CH3NH3分子的分子取向问题研究

5．3 钙钛矿薄膜HC(NH2)2PbI3中HC(NH2)2分子的分子取向问题研究

5．4 本章小结

参考文献

第六章 本文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 未来工作展望

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢