碘化铅与含氮极性小分子之间相互作用机理的实验和第一性原理计算研究

摘要

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）是最近几年光伏领域的最大突破之一。大多数PSCs是基于钙钛矿型的甲铵铅碘（MAPbI3）。MAPbI3一般是由碘化铅和碘甲铵反应得到的。在合成 MAPbI3的过程中经常会遇到的一个问题是合成的MAPbI3会受到碘甲铵量的影响。过量碘甲铵会导致MAPbI3发生退化，进而导致薄膜光吸收和器件性能的降低。包括碘甲铵和碘甲脒在内的其他含氮极性小分子也会导致类似的现象。然而目前为止含氮极性小分子与碘化铅的相互作用机制还不是非常明确。本论文中，我们结合实验和第一性原理计算研究了碘化铅与含氮极性小分子的相互作用机制。
　　首先，我们研究了碘化铅薄膜和碘甲铵的反应，同时使用原位电阻法检测反应进程。基于观测到的电阻演变曲线，我们研究了反应过程中薄膜的形貌和结构的演变。在碘化铅和碘甲铵的反应过程中，我们观察到了11.5o和13.5o的两个新的XRD峰。为了解释碘化铅和碘甲铵的作用机制，我们建立了一个分步反应模型。这个模型能够很好的解释气固反应形成钙钛矿薄膜的机制。
　　我们接着用第一性原理计算研究了碘化铅和氨气之间的反应。热重分析研究表明碘化铅和MAPbI3中均存在两类氨气吸附位点。我们发现氨气在碘化铅中的插层反应是一个放热反应，其结合能大约为-0.55 eV。氨气中氢与碘化铅中碘之间的氢键以及氨气中氮与碘化铅中铅的配位有利于插层反应的进行。最后，我们发现氨气在碘化铅中的插层使得碘化铅的禁带宽度变大，这与氨气使碘化铅褪色的实验现象相吻合，计算结果表明氨气并没有直接参与禁带的形成。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 钙钛矿太阳能电池的研究进展

1.3 甲铵铅碘的结构和性质

1.4 碘化铅的结构特点和性质

1.5 第一性原理计算方法简介

1.6 本论文的研究目的与内容

第二章 碘化铅薄膜与碘甲铵蒸气反应过程的研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3 钙钛矿合成过程的电阻变化特点

2.4 电阻变化极值点处钙钛矿薄膜的特点

2.5 本章小结

第三章 氨气对碘化铅电子结构影响作用的理论计算研究

3.1引言

3.2 氨气与碘化铅/甲铵铅碘作用产物的热重分析

3.3 计算软件简介

3.4 计算模型及参数设置

3.5 氨气分子插层对碘化铅晶胞结构的影响

3.6 氨气分子插层对碘化铅电子结构的影响

3.7 本章小结

第四章 总结和展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢