无机钙钛矿载流子传输动力学研究

摘要

近年，钙钛矿材料以其优异的光电性能如高载流子寿命、高吸收系数、高电荷迁移率（扩散系数）等，成为光伏电池以及其他光电器件领域的新星，尤其是有机金属卤化物钙钛矿CH3NH3PbX3（X=Cl-、Br-、I-）材料，引起了研究者们的广泛关注。作为一类潜力巨大的材料，纯无机金属卤化钙钛矿（CsPbX3, X=Cl-, Br-, I-）在光伏电池、光电探测器以及发光二极管 LED等方面除了具有能够与有机金属卤化物钙钛矿相比拟的光电性能外，这类材料在热和湿度方面具有更强的稳定性，对空气中的水分、氧气等没有有机无机金属卤化钙钛矿那么敏感。
　　本研究通过简单易得的溶液法，在大气环境下设计制备出了 CsPbI3、CsPbBr3微晶（10微米以上）以及大尺寸的CsPbBr3晶体（平均尺寸4毫米），对制备的晶体进行了XRD、SEM、EDX、PL以及光学成像等一系列测试，表征确实制备出了高质量的单晶，同时还通过荧光扫描时间分辨荧光成像系统，完成了对晶体的载流子传输动力学研究，得到以下实验结果：载流子在CsPbI3微晶的载流子扩散系数为0.6~1.2 cm2 s-1，寿命为200~1300 ns，迁移率为22~46 cm2 V-1 s-1，迁移距离4~10μm，结果表明该类无机金属钙钛矿性能能够与有机金属钙钛矿接近。载流子在CsPbBr3微晶的载流子扩散系数1.27 cm2 s-1，寿命约为40.46 ns，迁移率49 cm2 V-1 s-1，同时发现，在CsPbBr3微晶制备过程中，随着PbCl2添加量的增加，制备出单晶的困难度在增加，而载流子寿命却是先增加后减小，但以纯PbCl2为原料制备晶体时，载流子寿命却又是最大的，表明Cl-对单晶的制备以及制备出的单晶材料是有很大影响的；通过实验数据比较，钙钛矿材料CsPbI3对光伏应用更加合适。此外，我们以飞秒激光器做光源对大尺寸CsPbBr3晶体激发，使其进行双光子吸收，探测了其载流子寿命等问题，发现大尺寸 CsPbBr3晶体载流子寿命达到微秒级别以上，性能相比于该类材料的微晶大大增加，该类大尺寸单晶在激光器等器件方面有巨大潜力。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 太阳能电池的发展过程及现状

1.2 钙钛矿材料简介

1.3 钙钛矿材料在太阳能电池中的应用

1.4 杂化钙钛矿材料在发光二极管（LED）中的应用

1.5 杂化钙钛矿材料在半导体激光器中的应用

1.6 杂化钙钛矿材料的其他应用

1.7 选题意义及主要研究内容

2 CsPbI3单晶的制备、表征以及载流子扩散动力学研究

2.1 CsPbI3单晶的制备

2.2 CsPbI3单晶的表征

2.3 CsPbI3单晶载流子扩散动力学研究

2.4 系统构成

2.5 CsPbI3单晶的光致发光光谱（PL）

2.6 单晶载流子扩散系数测量

2.7 单晶载流子寿命

2.8 单晶的放大自发发射

2.9 CsXCH3NH3(1-x)PbI3单晶载流子动力学研究

2.10 本章小结

3 CsPbBr3单晶的制备、表征以及载流子扩散动力学研究

3.1 单晶合成

3.2 单晶的光学成像

3.3 光致发光光谱

3.4 单晶载流子扩散动力学研究

3.5 Cl-对制备的单晶性能的影响

3.6 本章小结

4 毫米尺寸 CsPbBr3大单晶的制备与研究

4.1 大尺寸的钙钛矿单晶

4.2 CsPbBr3大单晶的制备

4.3 CsPbBr3单晶的表征

4.4 单晶的双光子吸收

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢