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