钙钛矿晶体溶液法生长的数值模拟与实验研究

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无铅双钙钛矿材料以其优异的光电性能和绿色稳定特点成为新型太阳能电池领域的研究热点。目前无铅双钙钛矿晶体的制备方法多为溶液法,采用溶液法制备钙钛矿晶体时溶液的温度、浓度等条件对晶体的形核和生长过程有很大的影响,进而决定最终晶体的尺寸和质量。然而受观测技术等的限制,实际的制备过程中往往无法直观地观察及记录晶体生长期间的完整信息。将数值模拟技术与晶体生长实验相结合,可以从全空间全时间域角度再现晶体生长的演化过程以及各个物理场的实时信息,探索其晶体形核和生长机制,进而控制晶体生长的尺寸,优化晶体生长工艺。本文选择绿色稳定的无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6材料为研究对象,自行构建了三维元胞自动机-格子玻尔兹曼(CA-LBM)耦合模型,其中采用CA方法模拟晶体的生长过程,采用LBM方法计算晶体生长过程中各物理场的实时信息。模拟研究了Cs2AgBiBr6钙钛矿单晶的小平面生长、单晶的溶液降温生长以及多晶薄膜的退火生长等过程,并通过对照实验对模型进行验证。主要结论如下:(1)建立了针对Cs2AgBiBr6钙钛矿晶体的各向异性生长模型,讨论了界面能各向异性对晶体各向异性生长形貌的影响,对晶体的小平面生长过程进行了数值模拟研究,并采用对照实验对模型有效性进行了验证。对照结果表明在界面能各向异性的控制下,晶体呈现出正八面体的生长形貌,随着晶体的持续生长,出现了部分顶角缺失的现象,模拟结果与实验结果基本吻合。(2)建立了Cs2AgBiBr6钙钛矿单晶的溶液降温生长模型,分别讨论了溶液降温速率和初始溶液浓度对单晶生长尺寸与数量的影响,形核数量对单晶生长尺寸的影响,对单晶溶液降温生长过程进行了数值模拟研究,并与对照实验进行了模型有效性验证。研究结果表明减慢溶液降温速率、增大初始溶液浓度和抑制形核过程有利于制备更大尺寸的单晶。(3)建立了Cs2AgBiBr6钙钛矿多晶薄膜的高温退火生长模型,讨论了不同退火温度对薄膜晶粒组织尺寸和分布的影响,对薄膜生长过程进行了数值模拟研究,并与实验结果进行了模型有效性验证。研究结果表明在所模拟的温度范围内,随着退火温度的升高,薄膜的平均晶粒尺寸逐渐增大。
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