卤化铅甲胺(MAPbX3)钙钛矿晶体的设计生长及光电性能研究

摘要

进入21世纪以来，随着化石生物的燃料急速消耗和由此人类引起的自身生存依靠的环境的破坏，传统的旧能源的供给方式越来越难以适应当前社会飞速发展的趋势。因此，人们努力致力于寻找一种既高效又比较清洁的能源，以缓解当前严峻的能源形势。太阳能是一种可以利用并且可以取之不尽的清洁能源，为解决未来能源紧缺情况，提供了一条行之有效的途径。
　　有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells)由于其高光电转换效率、低成本而成为光伏领域研究的热点之一。在短短几年的时间里，通过众多科研者的不懈努力，钙钛矿型太阳能电池得到迅速的发展，其转换效率也飙升至22%。因此，以无机-有机复合杂化的太阳能技术具有广阔的发展前途。然而有机无机杂化钙钛矿太阳能电池通常采用多晶薄膜，其对热、光、湿的稳定性较差；另一方面，多晶薄膜中缺陷浓度较高，对于提升光电转换效率颇为不利。有机无机杂化钙钛矿单晶具有优异的结晶性，缺陷浓度低、化学稳定性好、且载流子迁移距离长等优点，表现出更优异的光电性。然而，到目前为止，大尺寸有机无机杂化钙钛矿单晶的生长机理、有机无机杂化钙钛矿单晶的光电性质尚缺乏系统研究。为系统研究有机无机杂化钙钛矿单晶的光电性质，本论文基于对晶体生长机理的研究，从而设计生长了大尺寸的钙钛矿单晶，并采用平面型光电探测器，研究了其光电性能，主要内容如下：
　　首先，采用合成的碘化甲胺和碘化铅溶解于有机溶剂丁内酯，通过逆温法生长大尺寸的CH3NH3PbI3晶体，并采用AFM研究了其界面生长机理；通过采用XRD、吸收光谱、荧光光谱等研究了其晶体结构和光学性质。利用CH3NH3PbI3晶体(100)晶面，制备了叉指电极的平面型光探测器件，研究了CH3NH3PbI3晶体在不同波长下的光电性能；同时制备了基于(100)和(112)晶面的光探测器，并研究了其光电性能。研究发现：CH3NH3PbI3单晶(100)面上存在不同高度的生长台阶，基本生长台阶高度等于半晶胞高度，且基本生长台阶由螺错位产生；增大溶液过饱和度，生长台阶发生聚并，且聚并台阶为偶数个基本生长台阶。所生长的CH3NH3PbI3单晶属于四方晶系，空间群是：I4/mcm，晶胞参数为a=b=8.8579?,c=12.656?，带隙为1.48eV。CH3NH3PbI3晶体在不同的波长下，体现出不同的光电响应；不同晶面的缺陷密度和离子堆积密度不同，从而导致了在CH3NH3PbI3晶体光电性能的各向异性。
　　溴化铅甲胺(CH3NH3PbBr3)晶体的生长是从溶解等摩尔比的溴化铅和溴化甲胺的DMF溶液中生长。为实现可控生长晶体，首先采用AFM研究了其界面生长机理，研究发现CH3NH3PbBr3晶体(100)面的生长在低浓度下为二维成核生长控制，在较高浓度时转变台阶流动生长方式。过高的浓度可导致CH3NH3PbBr3晶体转变为层层生长方式。根据CH3NH3PbBr3的逆温溶解度和生长机理的研究，CH3NH3PbBr3晶体的生长可采用两种生长方法：恒温法和升温法。恒温法是指将含有籽晶的溴化铅甲胺溶液置于温度下生长。升温法则是将含有籽晶的溴化铅甲胺溶液通过逆温度方法逐渐升高温度进行生长。两种方法均可以获得大尺寸的溴化铅甲胺晶体。升温法可获得完美的立方块CH3NH3PbBr3单晶。同时，通过采用XRD、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱等研究了其晶体结构和光学性质。CH3NH3PbBr3单晶属于立方晶系，空间群是：Pm(3)m，晶胞参数为a=b=c=0.05919?，带隙为2.10eV。
　　本文的研究结果以及对晶体生长方法的讨论，对于指导生长其他有机-无机杂化钙钛矿晶体的生长(如氯化铅甲胺、甲脒基钙钛矿单晶、无铅钙钛矿等)以及研究杂化钙钛矿单晶的光电各向异性提供了思路。

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摘要

ABSTRACT

Contents

1绪论

1.1有机-无机杂化钙钛矿材料的晶体结构

1.2 有机-无机杂化钙钛矿在太阳能电池领域的应用

1.3 有机-无机杂化钙钛矿在其他光电领域内的应用

1.4 有机-无机杂化钙钛矿晶体的生长

1.5本文的研究思路和主要内容

2碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3)晶体生长、晶体结构和光电性质研究

2.1实验原料及仪器设备

2.2 CH3NH3PbI3晶体的生长

2. 3 CH3NH3PbI3晶体的界面生长机理

2.4 CH3NH3PbI3晶体的结构和光学性质

2.5 CH3NH3PbI3晶体的光电性能研究

2.6本章小结

3溴化铅甲胺(CH3NH3PbBr3)晶体生长和界面生长机理研究

3.1实验原料及设备

3.2 CH3NH3PbBr3晶体的生长

3.3 CH3NH3PbBr3晶体界面生长机理

3.4 CH3NH3PbBr3晶体的光学性质

3.5本章小结

4实验结论与展望

参考文献

致 谢

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