锡基有机-无机卤化物钙钛矿单晶生长的探索与研究

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由于卤化物钙钛矿材料具有可溶液加工性、高的可见光吸收系数、高的载流子迁移率及长的载流子扩散长度等优点,近年来其在光电器件中的应用受到了广泛的关注。目前大多数钙钛矿太阳能电池的光敏层都是采用的多晶钙钛矿材料,然而与多晶材料相比,单晶材料具有更低的缺陷态密度,更少的界面缺陷,以及更高的稳定性,因此将其引入光伏领域将会获得更为优异的光电转换效率和稳定性。目前铅基钙钛矿单晶薄膜已经被成功制备并应用于光伏领域,获得了较高的光电转换效率。但由于铅的毒性,使得其商业应用受到很大的阻碍,因此迫切的需要发展高效无铅钙钛矿太阳电池。锡作为与铅同主族的相邻元素,具有与铅相类似的电子结构,是替代铅的最佳候选元素之一。与铅基钙钛矿相比,锡基钙钛矿拥有与SQ极限更匹配的带隙。最近,锡基钙钛矿太阳能电池的效率大幅提升,但其二价锡易氧化的特性限制了其应用潜力,因而发展具有高稳定性的锡基钙钛矿单晶是一条切实可行的技术路线。在本论文中,我们对锡基钙钛矿单晶的生长机理和技术进行了深入的研究:首先,我们借鉴铅基钙钛矿的逆温结晶的机理,测试了MASn I3(MA:CH3NH3+)锡基钙钛矿在溶液中溶解度随温度的变化曲线,发现了锡基钙钛矿在γ-丁内酯溶液中特定温度范围内的逆温结晶现象;随后,我们利用其逆温结晶的现象,采用缓慢升温的方式成功制备MASn I3块状钙钛矿单晶;最后,我们采用空间限制逆温度结晶的方法成功制备了厚度在20μm左右,面积在4~8 mm~2的MASn I3钙钛矿单晶薄膜。此外,我们也对获得的锡基钙钛矿单晶进行了系列的表征与研究,其展现出了优异的的单晶光电特性。进而,我们同样对FASn I3(FA:HC(NH2)2+),MA0.5+xFA0.5-xSn I3和MASn Br3的逆温度结晶行为进行了探索,发现了他们与MASn I3相似的溶解度行为,并成功生长出了FASn I3和MA0.5+xFA0.5-xSn I3钙钛矿单晶薄膜。本论文的研究工作对高效锡基钙钛矿单晶太阳能电池的构筑提供了一种新的理论方法和技术支撑。
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