铅卤化物钙钛矿材料——性质、制备与应用

第 1章铅卤化物钙钛矿材料简介...................................................................................... 1 1.1 铅卤化物钙钛矿材料的发现...................................................................................... 1 1.2 钙钛矿结构与铅卤化物钙钛矿材料.......................................................................... 6 1.3 铅卤化物钙钛矿材料体系.......................................................................................... 9 1.3.1 基于饱和烃的钙钛矿材料 ................................................................................. 9 1.3.2 不饱和烃 BC 构成的钙钛矿 .............................................................................. 16 1.4 铅卤化物钙钛矿分类.................................................................................................. 17 1.4.1 有机 -无机杂化铅卤钙钛矿 ............................................................................. 17 1.4.2 全无机铅卤钙钛矿 ............................................................................................. 19 1.4.3 FA/MA-Cs混合阳离子钙钛矿........................................................................... 21 1.4.4 2D-3D混合阳离子钙钛矿................................................................................. 22 本章小结............................................................................................................................... 23 第 2章铅卤化物钙钛矿材料的基本性质.......................................................................... 24 2.1 晶体结构与化学键...................................................................................................... 24 2.1.1 晶体结构 ............................................................................................................. 24 2.1.2 化学键 ................................................................................................................. 26 2.2 能带结构..................................................................................................................... 28 2.3 光学特性...................................................................................................................... 31 2.4 电学特性...................................................................................................................... 34 2.5 热学特性...................................................................................................................... 36 2.6 力学特性...................................................................................................................... 38 2.7 表面特性...................................................................................................................... 43 2.8 本征点缺陷与掺杂...................................................................................................... 49 2.9 稳定性.......................................................................................................................... 55 本章小结............................................................................................................................... 56 第 3章铅卤化物钙钛矿材料的制备方法.......................................................................... 57 3.1 单晶制备方法.............................................................................................................. 57 3.1.1 STL生长法 ......................................................................................................... 57 ·1· 3.1.2 逆温度结晶法 (ITC) ........................................................................................... 59 3.1.3 反溶剂蒸发辅助结晶法 (AVC).......................................................................... 60 3.2 薄膜制备方法 .............................................................................................................. 62 3.2.1 一步旋涂沉积法 ................................................................................................. 62 3.2.2 两步旋涂沉积法 ................................................................................................. 63 3.2.3 多步旋涂法 ......................................................................................................... 64 3.2.4 化学气相沉积 (CVD)法 .................................................................................... 65 3.3 量子点制备方法.......................................................................................................... 68 3.3.1 热注入法 ............................................................................................................. 68 3.3.2 配体辅助再沉淀法 ............................................................................................. 70 3.3.3 固相制备法 ......................................................................................................... 71 3.4 微 /纳米结构制备方法 .............................................................................................. 72 3.4.1 溶液合成法 ......................................................................................................... 72 3.4.2 化学气相沉积法 ................................................................................................. 74 3.5 异质结制备方法.......................................................................................................... 75 3.5.1 在异质材料上生长钙钛矿形成异质结 ............................................................. 75 3.5.2 先合成钙钛矿再生长异质材料形成异质结 ..................................................... 78 3.5.3 一步生长法 ......................................................................................................... 79 3.5.4 原位交换法 ......................................................................................................... 81 本章小结............................................................................................................................... 86 第 4章 铅卤化物钙钛矿基光伏器件——钙钛矿太阳能电池........................................... 87 4.1 钙钛矿太阳能电池的结构与工作机理...................................................................... 87 4.1.1 器件结构 ............................................................................................................ 87 4.1.2 工作机理 ............................................................................................................ 88 4.2 钙钛矿太阳能电池中的光物理过程.......................................................................... 90 4.3 钙钛矿太阳能电池的性能表征技术......................................................................... 92 4.3.1 薄膜的表征方法 ................................................................................................. 92 4.3.2 钙钛矿电池性能的表征方法 ............................................................................. 95 4.4 钙钛矿太阳能电池的材料.......................................................................................... 98 4.4.1 电子传输层材料 ................................................................................................ 98 4.4.2 空穴传输层材料 ................................................................................................. 99 4.4.3 电极材料 ............................................................................................................. 100 4.4.4 光吸收层材料 ..................................................................................................... 101 4.5 钙钛矿太阳能电池的界面工程.................................................................................. 102 4.5.1 界面工程概述 ..................................................................................................... 102 ·2· 4.5.2 界面工程基础理论 ............................................................................................. 103 4.5.3 界面工程的作用 ................................................................................................. 105 4.6 叠层钙钛矿太阳能电池............................................................................................. 108 4.6.1 叠层钙钛矿太阳能电池概述 ............................................................................. 108 4.6.2 串联光伏器件中的钙钛矿材料 ......................................................................... 112 4.6.3 钙钛矿基串联光伏器件的研究进展 ................................................................. 116 4.7 钙钛矿太阳能电池组件与产业化.............................................................................. 138 4.7.1 钙钛矿太阳能组件的发展现状 ......................................................................... 140 4.7.2 制备大面积钙钛矿薄膜的方法 ......................................................................... 141 4.7.3 模块制造过程 ..................................................................................................... 145 本章小结............................................................................................................................... 147 第 5章 铅卤化物钙钛矿基探测器件 ................................................................................... 148 5.1 钙钛矿光电探测器件.................................................................................................. 148 5.1.1 钙钛矿光电探测器的结构与工作机理 ............................................................. 148 5.1.2 钙钛矿光电探测器的性能表征技术 ................................................................. 152 5.1.3 钙钛矿光电探测器的材料 ................................................................................ 155 5.1.4 钙钛矿光电探测器的发展现状与前景 ............................................................. 162 5.2 钙钛矿紫外 -可见 -红外光探测器件 ...................................................................... 163 5.2.1 窄带光谱探测器 ................................................................................................. 163 5.2.2 宽带光谱探测器 ................................................................................................. 166 5.3 钙钛矿 X射线探测器件............................................................................................. 170 5.3.1 钙钛矿 X射线探测器件的结构与工作机理..................................................... 171 5.3.2 钙钛矿 X射线探测器件的性能表征技术........................................................ 176 5.3.3 基于不同钙钛矿材料的 X射线探测器件......................................................... 180 5.3.4 钙钛矿 X射线探测器件的发展现状与前景..................................................... 188 5.4 钙钛矿放射线闪烁体.................................................................................................. 190 5.4.1 钙钛矿放射线闪烁体的结构与工作机理 ......................................................... 191 5.4.2 钙钛矿放射线闪烁体的性能表征技术 ............................................................. 193 5.4.3 钙钛矿放射线闪烁体的材料 ............................................................................. 196 5.4.4 钙钛矿放射线闪烁体的发展现状与前景 ......................................................... 203 本章小结............................................................................................................................... 206 第 6章 铅卤化物钙钛矿基发光器件 ................................................................................... 207 6.1 钙钛矿发光二极管...................................................................................................... 207 6.1.1 钙钛矿发光二极管的结构和工作原理 ............................................................. 207 6.1.2 钙钛矿发光二极管的性能和表征技术 ............................................................. 211 ·3· 6.1.3 基于不同钙钛矿材料的发光二极管 ................................................................. 213 6.1.4 钙钛矿发光二极管的发展现状与前景 ............................................................. 217 6.2 钙钛矿微型激光器...................................................................................................... 221 6.2.1 钙钛矿微型激光器的结构和工作原理 ............................................................. 222 6.2.2 钙钛矿微型激光器的性能和表征技术 ............................................................. 232 6.2.3 基于不同钙钛矿材料的微型激光器 ................................................................. 237 6.2.4 钙钛矿微型激光器的发展现状和前景 ............................................................. 250 本章小结............................................................................................................................... 252 第 7章铅卤化物钙钛矿的其他应用.................................................................................. 253 7.1 钙钛矿阻变存储器件.................................................................................................. 253 7.1.1 阻变式存储器概述 ............................................................................................. 253 7.1.2 基于钙钛矿的 RRAM工作原理........................................................................ 255 7.1.3 基于钙钛矿的 RRAM工作特性........................................................................ 260 7.2 钙钛矿晶体管.............................................................................................................. 265 7.2.1 钙钛矿晶体管发展概述 ..................................................................................... 265 7.2.2 钙钛矿沟道层的结构及性质 ............................................................................. 265 7.2.3 基于铅卤化物钙钛矿的 FET ............................................................................. 267 7.3 钙钛矿光催化器件...................................................................................................... 271 7.3.1 铅卤化物钙钛矿的光学性质和环境稳定性 ..................................................... 271 7.3.2 铅卤化物钙钛矿在光催化反应中的应用 ......................................................... 272 7.4 钙钛矿传感器.............................................................................................................. 278 7.4.1 基于铅卤化物钙钛矿的气体传感器 ................................................................. 278 7.4.2 基于铅卤化物钙钛矿的图像传感器 ................................................................. 282 7.5 钙钛矿发电 -储能一体化器件 .................................................................................. 286 7.5.1 PSC-LIB集成技术............................................................................................. 286 7.5.2 PSC-超级电容器集成技术 ............................................................................... 289 7.6 钙钛矿电致变色器件.................................................................................................. 292 7.6.1 基于钙钛矿和超级电容器的 PVCS .................................................................. 292 7.6.2 钙钛矿在电致变色领域的其他应用 ................................................................ 295 7.7 钙钛矿自旋电子器件................................................................................................. 296 7.7.1 基于钙钛矿的自旋 LED器件........................................................................... 296 7.7.2 基于钙钛矿的自旋阀 ......................................................................................... 297 7.7.3 基于钙钛矿的 CPL探测器 ................................................................................ 299 本章小结............................................................................................................................... 300 参考文献.................................................................................................................................... 301