少铅钙钛矿CH3NH3SrxPb(1-x)I3的合成及其在全固态薄膜太阳能电池中的应用

近年来, 有机-无机杂化铅卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)得到了迅猛发展, 其最高光电转换效率已经达到19.3%. 该类型太阳能电池使用的钙钛矿型吸光材料为含Pb的有机-无机杂化铅卤钙钛矿, 从长远来看,Pb的毒性将制约其大规模应用. 本文从减少吸光材料中Pb的含量出发, 尝试用Sr 部分取代Pb制备一系列少铅钙钛矿CH₃NH₃Sr_xPb_(1-x)I₃, 并将其应用于钙钛矿太阳能电池进行光电性能的研究. 研究结果表明, 相比于全Pb 钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃)材料, Sr 取代量为30% (x=0.3)时, 所形成的CH₃NH₃Sr_0.3Pb_0.7I₃光谱吸收大范围增强,但基于此材料制备的电池器件性能明显下降.     

PbO-PbI2复合物膜转化的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜及其光电特性

有机-无机卤化物钙钛矿是一类优异的光电材料. 在过去四年内, 基于有机-无机卤化物钙钛矿的光电器件实现了超过15%的光电转换效率. 而有机-无机卤化物钙钛矿材料的可控制备是保证其在光电器件中应用的基础. 本文采用新的沉积方法在玻璃衬底表面制备了一种典型的有机-无机卤化物钙钛矿CH₃NH₃PbI₃薄膜. 其制备过程是: 采用超声辅助的连续离子吸附与反应法在玻璃衬底表面沉积PbO-PbI₂复合物膜, 之后与CH3NH3I蒸汽在110 ℃环境下反应, 将PbO-PbI₂复合物膜转化成CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜. 对CH₃NH₃PbI₃薄膜的微观结构, 结晶性及其光电性能等进行了表征. 结果表明, CH₃NH₃PbI₃薄膜呈晶态, 具有典型的钙钛矿晶体结构. 薄膜表面形貌均匀, 晶粒尺寸超过400 nm. 在可见光范围, CH₃NH₃PbI₃薄膜透过率低于10%, 能带宽度为1.58eV. 电学性能研究表明CH₃NH₃PbI₃薄膜表面电阻率高达1000 MΩ. 高表面电阻率表明CH₃NH₃PbI₃薄膜具有一定的介电性能, 其介电常数(ε_r)在100 Hz时达到155. 本研究提出了一种制备高质量CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜的新方法, 所得CH₃NH₃PbI₃薄膜可望在光、电及光电器件中得到应用.     

钙钛矿CH3NH3PbI3晶体的电化学

电化学方波伏安及循环伏安测量表明,钙钛矿CH₃NH₃PbI₃晶体在有机电解质中的氧化还原过程伴随着化学降解。该化学降解源于CH₃NH₃PbI₃晶体中铅离子的还原以及碘离子的氧化。通过电化学伏安法可以测定晶体的能带。     

铋基钙钛矿(CH3NH3)3Bi2I9薄膜的制备及在光伏电池中的应用

铋基钙钛矿由于稳定性强及毒性低,被认为是未来极具发展潜力的环保型钙钛矿材料。(CH₃NH₃)₃Bi₂I₉(MBI)因具有优异的光吸收性能而引起人们的普遍关注。本文介绍了MBI钙钛矿晶体的结构及性能,总结了其薄膜的制备方法,并重点叙述了不同方法制备的MBI钙钛矿薄膜在光伏电池中的应用情况。MBI钙钛矿与铅基钙钛矿的效率相比还有很大差距,如何提高其光电转换效率仍是今后研究的主要方向。     

两步沉积法制备Br或Cl掺杂的有机-无机杂化钙钛矿太阳电池

采用控制前驱体浓度的两步沉积法和插入PbI₂层的DMSO分子（PbI₂（DMSO）复合体）分别与MAX（MA=CH₃NH₃,X=I,Br）或MAX（X=I,Cl）进行的分子内交换法,实现了Br或Cl的掺杂并合成了厚度为300nm左右的混合卤化物钙钛矿MAPbI_3-xBr_x和MAPbI_3-xCl_x膜。MAX前驱体溶液中含5%（摩尔分数,下同）MABr或15% MACl所生成的Br或Cl掺杂钙钛矿膜能提高钙钛矿太阳电池的光伏性能,进一步提高MABr或MACl的含量并不会明显改变掺杂量,但会形成小的白色颗粒或者针孔,这些将对电池的性能产生不利影响。前驱体溶液含5% MABr的MAPbI_3-xBr_x钙钛矿太阳电池所获得的能量转换效率（PCE）为13.2%,含15% MACl的MAPbI_3-xCl_x钙钛矿太阳电池获得了最高13.5%的PCE。     

ALD-Al2O3涂层保护的高抗湿5-氨基戊酸铰链甲胺铅溴钙钛矿薄膜

近年来,混合铅卤钙钛矿材料在光电领域引发的研究热潮引人注目。然而,钙钛矿材料对水和氧气的敏感性严重的阻碍了其实用化进程。在众多的稳定钙钛矿的方法中,利用简单的原子层沉积方法(Atomic layer deposition,ALD)在钙钛矿表面沉积一层保护层的技术具有极大的潜力。而ALD应用的困难在于,在常规的ALD过程中,做为氧源的H2O和O3对铅卤钙钛矿有着腐蚀作用。在本文,我们提出将双官能团的5-氨基戊酸(5-Aminovaleric acid,AVA)引入到CH₃NH₃PbBr₃(MAPbBr₃)钙钛矿晶格层中,形成稳定的铰链结构的2D/3D钙钛矿AVA(MAPbBr₃)2。AVA的引入可以钝化并防止ALD过程中水对钙钛矿的侵蚀,从而成功地直接在钙钛矿表面沉积了Al₂O₃保护层。覆盖了保护层的AVA(MAPbBr₃)2钙钛矿薄膜获得了优异的热稳定性和抗水性。     

甲脒基铅卤钙钛矿结构及光电特性的第一性原理研究

甲脒基铅卤钙钛矿作为光电转换材料,引起了人们的广泛关注. 采用第一性原理对甲脒基铅卤钙钛矿FAPbI_xCl_3-x（FA=NH₂CH=NH₂⁺,x=0～3）的结构及光电特性进行了理论研究. 计算结果表明,FA在三方晶系的FAPbX₃（X=Cl,Br,I）中沿[001]方向排布,而在混合FAPbI_xCl_3-x中,八面体PbX₆（X=Cl,I）的扭转导致FA朝向发生了微小的偏移. FA对于平衡晶体结构起着重要的作用,并作为电荷供体为PbI₃骨架贡献约0.76 e的电荷. FAPbI_xCl_3-x属于直接带隙半导体,其价带顶（VBM）主要由I 5p（Cl 3p）和少量Pb 6s轨道杂化的反键轨道组成,而导带底主要由Pb 6p轨道组成. 随着I/Cl比例的增大,FAPbI_xCl_3-x的晶格常数和体积逐渐增大,禁带宽度逐渐减小,吸收光谱发生红移. FAPbI₃的禁带宽度为1.53 eV,表现出最佳的吸收光谱特性,是一类极具潜力的光电转换材料.     

第一性原理研究HC(NH2)2PbI3钙钛矿(三方相VS六方相)的结构及光电特性

采用第一性原理,研究三方及六方相FAPbI₃（FA=HC（NH₂）₂⁺）钙钛矿的结构及光电特性.结果表明,FAPbI₃钙钛矿由三方到六方的形变能够扭转PbI₃骨架,改变Pb-I键合特性,进而改变其禁带宽度值.两种晶体均属于直接带隙半导体,三方相FAPbI₃的直接带隙点位于布里渊区Z（0,0,0.5）对称点,具有较为理想的约1.50 eV的禁带宽度;六方相FAPbI₃的直接带隙点位于Γ（0,0,0）对称点,具有约2.50 eV的禁带宽度.FA离子不直接参与电子跃迁过程,仅仅充当电荷供体为PbI₃骨架提供超过0.7 e的电荷.相比于六方相晶体,三方相FAPbI₃具有更小的载流子有效质量,吸收光谱发生了显著的红移,并且其吸收特性优于六方相FAPbI₃和四方相MAPbI₃（MA=CH₃NH₃⁺）钙钛矿.六方相FAPbI₃比三方相晶系更稳定,FA和PbI₃骨架之间的结合作用力强于MA和PbI₃骨架之间的作用力.     

非绝热分子动力学模拟A位阳离子对钙钛矿热载流子弛豫的影响

钙钛矿具有优异的光学和电学性质, 近年来成为太阳能电池领域的研究热点. 大量实验报道钙钛矿热载流子弛豫时间变化顺序为CsPbBr₃>MAPbBr₃(MA=CH₃NH₃)>FAPbBr₃[FA=HC(NH₂)₂], 但A位阳离子(Cs ⁺, MA ⁺, FA ⁺)对弛豫快慢的影响机制仍不明确. 采用基于含时密度泛函理论的非绝热动力学方法研究了上述3种钙钛矿热电子和热空穴的能量弛豫动力学, 计算得到的热载流子弛豫时间与实验结果吻合. 结果表明, A位阳离子通过静电和氢键作用影响其与无机Pb—Br骨架的电子-振动耦合, 使非绝热耦合强度遵从FAPbBr₃>MAPbBr₃>CsPbBr₃的变化趋势, 进而使热载流子弛豫时间尺度变化趋势与之相同, 表明合理选择A位阳离子可以优化钙钛矿太阳能电池的性能.     

EMIM离子液体离子簇模型的量子化学计算

以1-乙基-3-甲基咪唑(EMIM)卤化物、氟硼酸盐、三溴化物和二碘溴酸盐、氯铝酸和溴铝酸盐等不同种类EMIM离子液体为研究对象,对多阳离子、多阴离子的离子簇模型进行了量子化学计算研究.首先在B3LYP/6-311++G(d, p)水平上(I使用6-311G(d, p)基组)对{[EMIM]X_n}^(n-1)- (X = Cl, Br, I, BF₄, AlCl₄, AlBr₄, Br₃, IBrI, FHF; n = 2, 3)和{[EMIM]₂X_n'}^(n'-2)- (n' = 3, 4, 5)离子簇进行构型优化,并对卤化物和氟硼酸盐进行了振动光谱计算.结果表明所采用理论模型在键长、键角等结构参数及红外振动光谱方面均与实验结果符合较好.同时对不同离子簇模型中阴、阳离子间相互作用能与实验熔点之间的关系进行了研究,发现采用{[EMIM]₂X_n'}^(n'-2)--模型时EMIM离子液体实验熔点与阴、阳离子间相互作用能之间呈现近线性关系.     

金属卤化物钙钛矿光电材料和器件

2009年ABX₃钙钛矿晶型的甲胺铅卤CH₃NH₃PbX₃(X=I、Br、Cl)钙钛矿材料首次应用于太阳能电池,但初始报道效率低、稳定性差。2012年后,可溶液法制备的钙钛矿太阳能电池凭借其吸光系数高、激子结合能低等优点,迅速表现出低成本和高效率的突出优势,并在光电器件等交叉领域具有很强的应用潜力。因此,钙钛矿太阳能电池被Science杂志评为2013年度国际十大科技进展,是化学和材料领域特别是光伏领域新兴的变革性技术之一。钙钛矿太阳能电池材料与器件的发展一直面临大面积、高效率、稳定性和环境友好性等挑战,对应的是钙钛矿晶体可控生长、缺陷钝化、器件优化材料稳定性和铅毒性等科学问题。     

偏氟乙烯与全卤代烷烃的调聚反应及其产物的研究

偏氟乙烯能够分别与四氯化碳和全氟叔丁基碘进行自由基的调聚反应,得到新型的调聚物CCl₃(CH₂CF₂)_nCl(n=1～6)和(CF₃)₃C(CH₂CF₂)_nI(n=1,2).调聚物的结构由核磁共振谱、红外光谱、元素分析和化学转化所证实.反应中亲电自由基·CCl₃与·C(CF₃)₃主要进攻偏氟乙烯上无氟碳原子,亦即在偏氟乙烯的自由基加成中,极性因素对加成方向起决定性作用.     

紫外光辐照下CH3NH3PbI3基钙钛矿太阳能电池失效机制

随着光伏产业的不断发展,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研发成为科学与工业界广泛关注的焦点。到目前为止,其光电转换效率已经提高到了25.2%,成为替代硅基太阳能电池的核心方案之一。然而,钙钛矿太阳能电池的稳定性较差,容易受到环境中氧气、水分、温度甚至光照的影响,这严重制约了其大规模推广与应用。大量科学研究表明,如何避免紫外辐照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的性能衰减,对于提高钙钛矿太阳能电池的光照稳定性至关重要。然而到目前为止,仍然没有系统的工作来对紫外辐照下钙钛矿太阳能电池性能以及微结构演化过程进行详细的表征与分析。本文中,我们利用聚焦离子束-扫描电子显微分析(FIB-SEM)以及球差校正透射电子显微分析(TEM)等技术,全面地研究了紫外辐照过程中有机无机杂化钙钛矿太阳能电池性能变化规律以及电池微结构演化特征。实验结果表明,紫外辐照过程中太阳能电池内部会形成0.5–0.6 V的内建电场,钙钛矿中的I^-离子在电场的驱动下向金属Au电极和空穴传输层2, 2’, 7, 7’-四[N, N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9, 9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)一侧迁移;随后,空穴传输层与金电极的界面处,碘离子与光生空穴一起与金电极发生反应,将金属态Au氧化成离子态Au⁺。而Au⁺离子则在内建电场的驱动下反向迁移穿过钙钛矿MAPbI₃层,直接被SnO₂和MAPbI₃界面处的电子还原形成金属Au纳米团簇。除此之外,紫外辐照过程中钙钛矿太阳能电池性能降低的同时,往往伴随着Spiro-OMeTAD与钙钛矿界面处物质迁移、钙钛矿薄膜内晶界展宽以及Au纳米颗粒周围MAPbI₃物相分解等现象。以上各种因素的协同作用,共同导致了紫外光照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池光电转换性能(PCE)、开路电压(V_oc)以及短路电流(J_sc)等性能参数的急剧下降。     

锡基钙钛矿太阳能电池研究进展

自2009年以来,有机-无机卤化物钙钛矿因其独特的光学和电学性能,在光电材料领域受到了广泛的研究,尤其是Pb基的卤化物钙钛矿太阳能电池,目前光电转换效率高达创纪录的约25.2%,显示出强大的商业化潜力。然而,Pb元素的毒性及因而导致的环境隐患问题,一直是其产业化过程中的顾虑之一。因此,寻求能替代Pb的环境友好的元素,是一个十分重要的课题。Pb基钙钛矿材料优异的光电特性来源于Pb²⁺的最外层6s2孤对电子,与Pb元素同主族的Sn元素能够形成三维钙钛矿结构且同样具有惰性5s2外层电子结构,因而是替代Pb的首选。本文系统地介绍了Sn基钙钛矿的光学和电学性质,并从薄膜制备方法和不同的器件结构方面介绍Sn基钙钛矿太阳能电池的最新进展。     

Sn类钙钛矿太阳电池薄膜的掺杂改性研究

采用一步法分别制备了Sn类CH3NH3Sn I3和Pb类CH3NH3Pb I3钙钛矿太阳电池薄膜材料,并对其表面形貌、微观结构、吸收光谱和电池器件性能进行了表征和测试。研究结果表明:Sn类钙钛矿材料的吸收光谱相对于Pb类钙钛矿材料发生了明显的红移,吸收截止波长从800 nm上升到950 nm左右,光学带隙由1.45 e V降低至1.21 e V左右;Sn类钙钛矿材料的光谱吸收范围明显扩大,但吸收强度有所降低,相应太阳电池器件的光电转换效率也明显低于Pb类钙钛矿太阳电池,分别为2.05%和6.71%。而Br的掺杂可使Sn类钙钛矿材料带隙变宽,吸收光子能量增大,电池器件的开路电压也相应提高。当Br含量由0增加至完全替代I时,Sn类钙钛矿材料逐渐由黑褐色转变为黄色,光学带隙增大至1.95 e V,但吸收截止波长由950 nm降低至650nm。值得提及的是当Br含量为0.5时,电池器件的光电转换效率可由最初的2.05%提升至2.94%。     

基于有机/无机杂化钙钛矿有序结构的异质结及其光伏性能的研究

研究了一种新型的有机/无机杂化钙钛矿材料(3-BrC₃H₆NH₃)₂CuBr₄薄膜的聚集态形貌和良好的微观有序性特征, 霍尔迁移率测试结果表明该材料为p型半导体, 空穴迁移率为0.0025 cm²•V^－1•s^－1. 利用其在紫外-可见光谱范围内与C₆₀薄膜具有良好的光吸收互补性, 制备并研究了(3-BrC₃H₆NH₃)₂CuBr₄/C₆₀层状异质结结构中的暗态传输和光伏性能. 对不同退火温度下杂化钙钛矿薄膜的聚集态特性和器件性能之间的联系进行了探讨, 结果表明在低温退火条件下, 由于钙钛矿结构材料中有机组分排列更加有序, 器件显示更好的性能.     

全固态介观太阳能电池:从染料敏化到钙钛矿

介观太阳能电池(Mesoscopic Solar Cells)作为新一代太阳能电池的突出代表, 具有原材料来源丰富, 制备工艺简单, 光电转换效率高等优点, 从而具有广阔的应用前景. 本工作简要评述了全固态介观太阳能电池从染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells)发展到钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells)过程中新材料、新技术和新概念的研究进展. 1998年, Grätzel课题组首次将固态有机空穴传输材料spiro-OMeTAD应用到染料敏化太阳能电池中, 制备出全固态染料敏化太阳能电池, 虽然仅获得了0.74%的光电转换效率, 但是却使得全固态染料敏化太阳能电池迅速发展成为介观太阳能电池的重要研究方向. 2012年, Park与Grätzel课题组合作, 使用钙钛矿型吸光材料(CH₃NH₃)PbI₃作为敏化剂, spiro-OMeTAD作为空穴收集层, 制备出光电转换效率达到9.7%的全固态介观太阳能电池, 又被称为钙钛矿太阳能电池. 自此, 基于钙钛矿材料的介观太阳能电池迅速成为太阳能电池领域的研究热点. 目前, 钙钛矿太阳能电池的最高公证效率已经达到20.1%. 钙钛矿太阳能电池作为介观太阳能电池商业化道路上里程碑式的突破, 在材料开发、界面优化以及器件稳定性方面的研究仍充满挑战, 也期待新的突破.     

铂钌团簇及电荷对甲醇活性的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)对钌掺杂的铂团簇阳离子([Pt_nRu_m]⁺, m + n = 3, n ≥ 1)活化甲醇C―H和O―H键反应进行了理论研究;探讨了电荷对[Pt_nRu_m]团簇反应活性的影响。电荷分析表明:(1) [Pt₃]⁺团簇中正电荷在三个Pt原子上均匀分布;掺杂Ru原子后,正电荷主要分布在Ru原子上; (2)首先活化C―H键时[Pt_nRu_m]⁺的反应活性比[Pt_nRu_m]明显提高;首先活化O―H键时只有[Pt₃]⁺比[Pt₃]团簇的反应活性有明显提高。本研究可为金属团簇调控的C―H键和O―H键的活化提供更深入的理解。     

In-situ cation exchange enhances room temperature phosphorescence of a family of metal-organic frameworks

The rational designability and chemical tunability of metal-organic frameworks(MOFs)are enabling tributes to efficaciously enhance their room temperature phosphorescence(RTP)performance.A family of stable anionic MOFs,[Zn₂(4,5-ImDC)₂]M₂(NKU-132,M=(CH₃)₂NH₂or(CH₂CH₃)₂NH₂),featuring significant RTP have been synthesized.By rational cation selection and in-situ replacement from dimethylammonium to diethylammonium,the phosphorescence lifetime is increased from 30.88 to126.3 ms,along with less sensitivity to air.This work provides an anti-quenching and lifetime tuning example for RTP-MOFmaterials via facile host-guest chemistry.     

团簇离子枪对CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜的影响研究

以氩离子团簇为溅射源,对采用一步旋涂法制备的CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜进行溅射实验,通过XPS分析检测样品表面Pb元素的价态变化。结果表明,新制备的钙钛矿薄膜材料表面没有检测出Pb⁰,而经过团簇离子枪溅射的样品中部分Pb²⁺还原成Pb⁰,证明了氩离子团簇刻蚀对钙钛矿材料具有破坏作用。一方面,溅射时间的增加以及团簇离子枪能量的增大均会加大钙钛矿材料的损伤程度;另一方面,离子枪团簇规模大小与溅射损伤程度呈近抛物线关系。因此,在进行此类样品表面清洁时,应尽量减小离子枪能量和溅射时间,选择较小或较大的团簇规模以减少对样品的损伤。该研究对于钙钛矿样品在进行XPS检测和数据分析时具有参考价值。