發(fā)布時間：2020-07-01 18:01

【摘要】：新型鹵化物鈣鈦礦材料因其卓越的光電性能而備受關(guān)注,基于此類材料的薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率短短十年已突破24.2%。此外,新型鹵化物鈣鈦礦材料在激光、發(fā)光二極管、探測器等多個領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。相比多晶薄膜,鈣鈦礦單晶薄膜沒有孔洞和晶界、電荷缺陷密度更低,因而具有更高的載流子遷移率、更長的載流子擴散長度和載流子壽命,在制備更高性能的光電器件方面具有很大潛力。為了保證載流子的高效傳輸和收集,生長厚度小于載流子擴散長度的單晶薄膜成為制備高性能光探測器和太陽能電池的前提。然而,利用傳統(tǒng)的薄膜制備方式來獲得鈣鈦礦單晶薄膜十分困難。盡管目前全世界已經(jīng)有多個課題組開展了相關(guān)工作并取得了一些進步,但獲得高質(zhì)量的、厚度達到納米級別的、面積較大的鈣鈦礦單晶薄膜依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。本文有針對性地從三維結(jié)構(gòu)和二維結(jié)構(gòu)的有機-無機復(fù)合鈣鈦礦材料以及全無機鈣鈦礦材料三個方面進行了新型鈣鈦礦單晶薄膜的生長制備。對獲得的單晶薄膜的晶體質(zhì)量、晶體結(jié)構(gòu)、光物理性質(zhì)、光電性質(zhì)進行了詳細的表征,并對其應(yīng)用前景進行了預(yù)測。這些新型單晶薄膜的獲得對鈣鈦礦材料光電等領(lǐng)域器件性能的提高具有重要的指導(dǎo)意義。本論文共分六章,各章的主要內(nèi)容如下:第一章主要介紹了新型鈣鈦礦單晶薄膜的研究背景,重點總結(jié)了常見的新型鈣鈦礦材料、薄膜的基本知識、鈣鈦礦多晶及單晶薄膜的生長方法以及在各個領(lǐng)域的應(yīng)用�；谝陨峡偨Y(jié),我們提出了本論文的選題依據(jù)、設(shè)計思想和研究內(nèi)容,并且簡要地概述了各章節(jié)的主要內(nèi)容。第二章主要介紹了新型鈣鈦礦單晶薄膜生長過程中所使用的相關(guān)實驗試劑、生長裝置,并且對一些基本性能測試方法與測試儀器進行了詳細的闡述。第三章,基于CH3NH3PbBr3簡單的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能,我們首先研究了該材料的生長習(xí)性。根據(jù)其單晶在有機溶劑中的層狀生長習(xí)性,我們首次提出利用物理空間限制的夾片方法制備該材料單晶薄膜。通過改進生長裝置和優(yōu)化實驗條件,得到了面積最高超過3 ×4 mm2、厚度在500 nm～5 μm之間可控的單晶薄膜,并可以制備到普通玻璃、導(dǎo)電玻璃、硅片等多種基底上。對獲得單晶薄膜的質(zhì)量進行了表征,并對其基本光物理和超聲波性質(zhì)進行了研究,為探究其載流子傳輸距離等問題奠定了實驗基礎(chǔ)。首次設(shè)計了氣相后處理方法,將CH3NH3PbBr3轉(zhuǎn)變?yōu)榱溯^難直接制備單晶薄膜的CH3NH3PbI3,并初步探究了其光響應(yīng)性能,開關(guān)比比轉(zhuǎn)換前提高了一倍。第四章,基于(C3H7NH3)2PbBr4和(C6H13NH3)2PbI4本身的二維結(jié)構(gòu)特點,我們改進了原有的溶液降溫法生長裝置,首次采用酸溶液直接降溫生長了面積接近1cm2,厚度150μm的高質(zhì)量薄單晶。對熱學(xué)性質(zhì)進行了表征,首次通過單晶解析直接研究了其在278 K和171 K左右的兩個相變。對(C3H7NH3)2PbBr4單晶薄膜的光學(xué)性質(zhì)進行了全面表征,首次發(fā)現(xiàn)了其上轉(zhuǎn)換及雙光子性能并測試了其光波導(dǎo)性能,光損耗為12.2 dB/cm。預(yù)測了該材料在頻段轉(zhuǎn)換光波導(dǎo)通訊領(lǐng)域的應(yīng)用價值。第五章,考慮到有機無機復(fù)合材料熱穩(wěn)定差的缺點,我們對熱穩(wěn)定性較好的全無機Cs-Pb-Br系列化合物進行了探索,首次在室溫下解析了除立方相之外的其他相的晶體結(jié)構(gòu)。由于該類材料生長中極易出現(xiàn)伴隨結(jié)晶,首次引入分離結(jié)晶技術(shù)對CsPb2Br5單晶薄膜進行生長,詳細研究了如何防止伴隨結(jié)晶和薄膜質(zhì)量退化的問題。對其結(jié)晶和生長過程以及生長現(xiàn)象進行了詳細觀察。對得到的高質(zhì)量的單晶薄膜進行了基本光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)表征。其熒光激發(fā)峰位在250 nm左右,在深紫外探測領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景;在0～200 ℃范圍內(nèi)具有優(yōu)良的循環(huán)熱穩(wěn)定性,為其在器件中的穩(wěn)定性應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。電學(xué)性質(zhì)測試表明其在層內(nèi)和層間的導(dǎo)電性質(zhì)差別很大,表明其在方向開關(guān)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。第六章,我們歸納總結(jié)了本論文的主要內(nèi)容與結(jié)論、創(chuàng)新點以及有待于進一步需要開展的工作。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2
【圖文】：

鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率（ＰＣＥ）從３．８％經(jīng)過十年時間迅速被提升逡逑到了邋２４．２％ｔ５３］，這種發(fā)展速度是之前任何其他材料太陽能電池所無法比擬的，各逡逑種材料在太陽能電池上的ＰＣＥ發(fā)展情況見圖１－１。逡逑Ｐ＾Ｓｇ－ｉｓｅ逡逑Ｐ＾Ｓｔｅｎｆｏｒｄ／ＡＳＵ邐；邋ｎＮＲＥＬ逡逑４邐：ｔ—邐卜淡３０踽？ｆV湴義希嚎魐銡W５邐~枺藻危坼義希海常擼擼椋骸唬�？－二—二辶x希彥澹″澹眩媯ⅲ馘澹卞澹卞澹掊澹卞澹卞危卞澹ㄥ澹掊澹卞澹翦澹卞澹殄澹掊澹卞澹╁危卞澹赍澹掊澹澹赍澹翦澹卞澹煎澹卞澹卞澹卞澹赍澹卞澹翦澹卞澹翦澹掊危卞澹懼澹卞澹卞澹翦澹殄澹翦澹卞澹卞危卞澹卞澹卞澹歟義希保梗罰靛危保梗福板危В停渝危卞迥儒危崩靛危玻埃埃板危玻埃埃靛誤兀保板危玻埃保靛危玻埃玻板義賢跡保保煌嘈吞裟艿緋氐墓獾繾剩哿﹀義希卞義

本文編號：2737098