含硫有机胺铅碘钙钛矿的合成及光电性质的研究

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最近,由于二维钙钛矿光电器件的高稳定性和低维钙钛矿较为容易的相变特征吸引了化学家的广泛关注。有机-无机杂化钙钛矿具有丰富的结构类型,可以通过改变有机胺阳离子的体积大小,来调控无机阴离子的维度和连接方式,也可以通过调整中心金属离子的元素类型及卤素阴离子的种类,改变材料的稳定性以及光电性质。然而,对于钙钛矿材料中的混合有机胺阳离子体系还有待深入研究,特别是含硫阳离子卤化物钙钛矿材料的研究十分有限,是值得进一步研究的方向。在本篇论文中,采用了溶剂热的方法将硫脲阳离子(Htu)和半胱胺阳离子(HCya)引入到了钙钛矿的体系中,并研究了它们结构的转化对光电性质的影响,发现含硫有机胺阳离子的引入能够提供额外的S…I相互作用,增强有机胺阳离子与无机阴离子间的电荷转移,从而增强化合物的稳定性。论文将分为四个部分:一、绪论部分重点阐述了不同维度和种类的金属卤化物阴离子结构的连接方式及改变有机胺阳离子的体积大小、外在的条件、引入硫元素对钙钛矿结构和稳定性产生的影响。其次,简单地介绍了最近五年有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSC)的发展历程,最后阐述了本课题的研究意义和研究内容。二、本章节将含硫的半胱胺阳离子(HCya)引入钙钛矿的体系中,合成了两个新型二维(2D)的碘化铅材料,化合物1和化合物2的分子式分别为(HCya)2PbI4和(HAE)2PbI4,进行了 UV-Vis光谱、介电测试、IR光谱、XRD、DSC等一系列的表征。单晶衍射结果分析表明,红色相化合物1为单层经典2D钙钛矿,黄色相化合物2为准2D钙钛矿。研究发现,在密闭反应体系中,随着温度的变化,两种化合物之间能够产生结构相变,通过对转化反应的热力学研究,计算出两种化合物转化的焓变为3.28 KJ/mol(ΔH)。其次,研究了两种化合物在相同条件下的导电性、介电常数及光电流响应强度,结果表明,红色相比黄色相有更好的光电性质。其次,将所得的红色相晶体结构与文献中报道的以乙醇胺为阳离子的类似化合物(橙色相)的结构进行对比,发现将乙醇胺中的O替换成为S时,结构有很大的不同,这归因于N-H…O氢键与N-H…S氢键作用力的差异性。最后,将橙色相和红色相化合物放置在含有羟基的不同的溶剂中,发现红色相化合物有着更强的稳定性,并且溶剂的碳链越长,两种化合物在溶剂中稳定性的差异越大。三、本章节将含硫的硫脲阳离子和甲胺阳离子引入到钙钛矿的体系中,合成了3种具有双阳离子的新型的碘化铅材料。可以用MAn(Htu)n+1PbnI4n+1(n=1,2,3,对应于化合物3-5;在3中的MA被tu取代)来表示,这些材料都具有一维的链状结构。随着链的聚合度的增加,结构中链宽度显示递增的趋势,光谱带隙值逐渐减小。研究发现,当n=2和n=3的时候,化合物4和5具有温度诱导的相变现象,通过对所得到的相变后的化合物进行表征分析,确定了化合物从一维链状结构到三维网状结构的转变。最后研究了化合物4链的聚合度的变化与光电性质的关系,结果表明,随着加热时间的延长,化合物的传导机理会发生变化。通过SEM的研究发现,转化为3D钙钛矿后光滑的晶体表面出现了大约为数百纳米的孔洞,这是相变过程中硫脲分子的逸出通道,为制备多孔性三维钙钛矿进行了有益探索。四、对攻读硕士期间的工作进行了总结,期望今后在含硫钙钛矿方向的研究有新的突破。
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