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Yb3+掺杂cspbcl3纳米薄膜制备、光学性能及光伏应用

Yb3+掺杂CsPbCl3纳米薄膜制备、光学性能及光伏应用

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作者：孙晓梅吉林大学

学位级别：硕士

全无机金属卤化物钙钛矿由于其独特的晶体结构以及多样的化学组成,展现了优异的光电性能,例如载流子发光峰半高宽(FWHM)窄、扩散长度(L)较长、激子结合能较小、吸收系数大、载流子迁移率高、光致发光量子产率(PLQY)高等优点,使得它们在... 详细信息

全无机金属卤化物钙钛矿由于其独特的晶体结构以及多样的化学组成,展现了优异的光电性能,例如载流子发光峰半高宽(FWHM)窄、扩散长度(L)较长、激子结合能较小、吸收系数大、载流子迁移率高、光致发光量子产率(PLQY)高等优点,使得它们在光伏(PV)器件、光电探测器(PDs)、光电二极管(LED)、离子检测、信息存储、信息防伪等方面展现出了巨大的应用前景,成为最近研究的热点。掺杂可以赋予钙钛矿新的光学现象,例如向钙钛矿中掺杂稀土镱离子(Yb3+)可产生在980 nm处的光致发光,这与硅电池的带隙刚好匹配,因此Cs Pb Cl3:Yb3+薄膜可作为光转换层提升碳硅太阳能电池(SSCs)的光电转换效率(PCE)。但在稀土掺杂钙钛矿体系中,钙钛矿向稀土离子的能量传递并不是十分有效,如何减少非辐射复合中心,并实现钙钛矿基质向稀土离子有效的能量传递,从而获得高效率的稀土离子发光是亟待解决的问题。另一方面,由于钙钛矿材料固有的离子性质导致了其稳定性较差,易受到空气中的水分、紫外线、氧气等外界因素影响,而发生相变乃至降解,这阻碍了其进一步的商业应用。因此解决钙钛矿的稳定性问题也是研究的方向。本文围绕如何提高Cs Pb Cl3:Yb3+光转换薄膜的转换效率及其稳定性展开研究。(1)通过掺入金属镁离子(Mg2+)降低Cs Pb Cl3:Yb3+薄膜缺陷态密度、提高薄膜的近红外(NIR)发射强度、增强钙钛矿稳定性。将Mg2+掺入到Cs Pb Cl3晶体结构中,并取代Pb2+位,使得缺陷态密度从本征的9.52×1016cm-3降低至8.84×1016 cm-3。此外,引入Mg Cl2后,薄膜湿度、光照、温度稳定性都得到相应提升。(2)引入天然染料叶绿素(CHL)修饰Cs Pb Cl3:Yb3+薄膜,掺入叶绿素后,Cs Pb Cl3:Yb3+薄膜结晶度提高、表面孔洞减少、粗糙度降低。叶绿素的引入有效地消除了薄膜的缺陷,并通过辐射途径促进了激子复合。因此,Cs Pb Cl3的激子向Yb3+离子的能量传递效率得到提高,进而使得NIR的发射强度显著增加,结果显示,相比于初始薄膜其NIR发强度提高八倍。重要的是,经叶绿素修饰的薄膜其稳定性也得到了大幅度提升,在紫外灯照射150小时后,薄膜仍能保持其初始红外发光强度的97%。未封装的薄膜在相对湿度为40%的环境下保存2000小时,仍能保持其初始发光强度的90%。(3)经过叶绿素修饰可以改善Cs Pb Cl3:Yb3+薄膜的光学特性、成膜质量以及稳定性。在此基础上,我们将经叶绿素修饰的Cs Pb Cl3:Yb3+薄膜作为光转换层,应用在SSCs上,显著提高了其在350-450 nm的光电响应,使其PCE从20.1%提升至22.3%。并且覆盖钙钛矿薄膜后并不影响填充因子和开路电压,只对短路电流造成影响。此外,我们通过滤光器模拟不同天气,在阴天、雾霾模拟天气下,光转换层仍然可以取得优异的转换效率。

关键词： cspbcl3薄膜 Yb3+掺杂叶绿素光转换层

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全无机钙钛矿薄膜紫外光晶体管探测器的研究

全无机钙钛矿薄膜紫外光晶体管探测器的研究

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作者：唐晟东南大学

学位级别：硕士

全无机卤化物钙钛矿(AIHPs)因其固有的高光吸收系数和优越的环境稳定性而引起人们的广泛关注,然而可见盲紫外波段探测器方面的研究仍然较少。本文致力于研究基于溶液法制备的AIHPs薄膜材料的高性能紫外探测器。首先通过对比多种AIHPs薄... 详细信息

全无机卤化物钙钛矿(AIHPs)因其固有的高光吸收系数和优越的环境稳定性而引起人们的广泛关注,然而可见盲紫外波段探测器方面的研究仍然较少。本文致力于研究基于溶液法制备的AIHPs薄膜材料的高性能紫外探测器。首先通过对比多种AIHPs薄膜制备工艺,确定了最优的方案。在此基础上制备了基于AIHPs薄膜的光晶体管型探测器,并通过卤素元素组分的调节,将探测截止波长蓝移到紫外波段,为实现可见盲紫外探测奠定基础。取得的主要结果包含以下四个方面:1、CsPbBr薄膜的制备工艺的优化。首先研究了几种溶液法制备CsPbBr多晶薄膜的主流方法,最后确定了多次旋涂法的制备方案。对制备的薄膜进行了结晶性,微观形貌和缺陷密度等性能表征,结果表明获得结晶度高、致密性好和缺陷密度低的薄膜。通过光学特性的分析,CsPbBr薄膜直接带隙为2.36 e V可满足紫外-可见光波段探测带隙需要。2、将薄膜与晶体管结构相结合制备了以CsPbBr薄膜为有源层的光晶体管型探测器。为了进一步提高探测性能,将CsPbBr薄膜和非晶氧化铟镓锌(IGZO)薄膜结合,设计了复合有源层光晶体管,利用IGZO层有效地从CsPbBr中提取光载流子,以实现高探测性和快速响应。该器件的开关比可达到3.2×10,在510nm波长处器件的响应率可达10.7A/W、探测率达到1.8×10Jones,同时具有4.9ms/15ms的快速响应和123d B的宽线性动态范围。3、为将探测波段移向紫外段,对无机钙钛矿卤素元素的组分进行了调节。采用多次旋涂法制备了Cs Pb Cl薄膜并优化了制备工艺,获得了致密性好、结晶度高的Cs Pb Cl薄膜,其禁带宽度为2.91e V,将AIHPs薄膜的吸收截止波长蓝移到紫外波段。4、在高性能CsPbBr/IGZO复合有源层光晶体管技术基础上,完成了基于Cs Pb Cl薄膜的光晶体管探测器的制备以及性能优化。首先制备了以Cs Pb Cl薄膜为有源层的光晶体管型探测器,获得了可见盲紫外的光电探测器。进一步将Cs Pb Cl薄膜与IGZO-TFT结合,获得了IGZO/Cs Pb Cl复合沟道层的光晶体管紫外探测器。主要性能参数为开关比为520,在350nm的紫外波段处器件的响应度和探测度达到了0.43A/W和6.4×10Jones,同时具有7.1ms/7.0ms的快速响应。本论文利用AIHPs薄膜材料来制备了高性能的探测器,为可见盲紫外波段的光电探测器的研究奠定一定的工作基础。

关键词：全无机钙钛矿 CsPbBr3薄膜 cspbcl3薄膜光晶体管紫外探测器

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