基于ZnO纳米柱阵列为电子传输层的CsPbBr3量子点光电响应器件的研究

摘要

有机-无机杂化钙钛矿材料由于它们的高吸收系数、长电荷扩散长度和高载流子迁移率等优点，在各种光电器件如太阳能电池、发光二极管和光电响应器件领域中都具有非常大的应用潜力。然而，有机-无机杂化钙钛矿在湿气、热或紫外线照射条件下会出现材料性能的不稳定性，主要是由于材料内部有机成分的挥发和碘化物半径较大，这是它们未来应用的主要障碍。相比较而言，全无机铯铅卤化物钙钛矿（CsPbX3，X=Cl，Br，I）的稳定性得到了一定的提高而引起了广泛的研究和关注，其中CsPbBr3的稳定性要优于CsPbI3和CsPbCl3。本论文通过对光电响应器件吸光层、电子传输层和空穴传输层分别进行优化，最后组装实现了新型无机钙钛矿CsPbBr3量子点的P-I-N结构光电响应器件。具体工作如下：　　① 主要比较了ZnO纳米柱的两种合成方法。利用溶剂旋涂法和磁控溅射法分别制备了ZnO籽晶层，在这两种不同制备条件下得到ZnO籽晶层基础上，开展了ZnO 纳米柱的生长。对它们的晶体结构、光学性能和形貌进行了详细分析，研究发现，利用磁控溅射法得到ZnO籽晶层更有利于ZnO纳米柱的生长，表面更加致密。　　② CsPbBr3 量子点配体改性的研究。实验上采用热注入法分别制备了油酸（OA）和2-己基癸酸（DA）作为配体的CsPbBr3量子点，研究配体碳链的长度对量子点性能的影响。由于 2-己基癸酸具有两个较短的碳链，更易与量子点表面结合，配体不易丢失，可以有效缓解量子点的团聚问题。同时，配体碳链长度的缩短，更有利于电子和空穴的复合。因此，通过DA修饰的CsPbBr3量子点的荧光强度和荧光寿命都有明显提升，为开展基于CsPbBr3量子点光电响应器件的研究奠定了基础。　　③ 开展了ZnO薄膜和ZnO纳米柱分别作为电子传输层的CsPbBr3量子点光电响应器件的研究。我们设计采用spiro-OMeTAD作为空穴材料、钙钛矿CsPbBr3量子点作为吸光层、ZnO纳米柱阵列作为电子传输层组成P-I-N结构的光电响应器件，即ITO/ZnO纳米柱/CsPbBr3 QDs/spiro-OMeTAD/Ag的器件，对制备的器件进行了一系列表征测试与分析。发现当ZnO纳米柱作为电子传输层时，器件的上升时间约为0.012 s，下降时间约为0.038 s，开关比＞3000；而基于ZnO薄膜为电子传输层的光电响应器件，它们的上升下降时间分别为 0.8s 和 1.123s。对比发现，使用 ZnO 纳米柱的光电响应器件的性能可以将上升和衰减时间大大缩短 66 倍和29倍、开关比提高3000倍。　　综上所述，本论文是基于ZnO纳米柱阵列为电子传输层的无机钙钛矿CsPbBr3量子点的P-I-N结光电响应器件的研究。ZnO纳米柱阵列具有电子定向移动的优势，作为电子传输层可以更有效地加速电子的移动，为高性能光电响应器件的研究提供了新的设计思路。

目录

1 绪 论

1.1.1 钙钛矿材料的晶体结构

1.1.2 有机无机杂化钙钛矿

1.1.3 纯无机钙钛矿

1.2.1 纯无机钙钛矿太阳能电池

1.2.2 无机钙钛矿发光二极管LED

1.2.3 无机钙钛矿微激光

1.2.4 无机钙钛矿光电探测器

1.3.1 意义目的

1.3.2 研究内容

2 氧化锌纳米柱的合成及表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 ZnO纳米柱籽晶层的工艺介绍

2.2.2 实验试剂与实验仪器

2.2.3 氧化锌纳米柱阵列的制备步骤

2.4 氧化锌纳米柱的表征测试与分析

2.4.1 不同生长时间不同籽晶层的ZnO纳米柱SEM

2.4.2 不同籽晶层生长的ZnO纳米柱XRD及光学表征

2.5 小结

3 无机钙钛矿CsPbBr3量子点的配体改性及制备表征

3.1 引言

3.2 CsPbBr3量子点的配体改性机理

3.3.1 实验试剂与实验仪器

3.3.2 CsPbBr3量子点的合成步骤

3.4 无机钙钛矿CsPbBr3量子点材料的表征及分析

3.4.1 配体改性后的CsPbBr3量子点TEM、HRTEM和EDS

3.4.2 配体改性后的CsPbBr3量子点的XRD及光学表征

3.5 小结

4 CsPbBr3量子点/ZnO纳米柱光电响应器件的研究

4.1 引言

4.2.1 光电响应器件结构设计

4.2.2 实验材料与设备

4.2.3 CsPbBr3量子点/ZnO纳米柱光电响应器件制作与保存

4.3.1 CsPbBr3量子点/ZnO纳米柱光电响应器件基本物性表征

4.3.2 CsPbBr3量子点/ZnO纳米柱光电响应器件光学性能表征

4.3.3 CsPbBr3量子点/ZnO纳米柱的光电响应器件性能分析

4.4 小结

5 结论与展望

5.1 研究结论

5.2 论文创新点

5.3 研究展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间取得的科研成果

B 学位论文数据集

致谢