ABX3型钙钛矿光伏的结构与性质调控解答.pptx

ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控 ABX3型光伏材料结构与性质的关系 阳离子A对ABX3型光伏材料的调控 金属离子B对ABX3型光伏材料的调控 卤素阴离子离子X对ABX3型光伏材料的调控 ABX3型光伏材料结构与性质的关系 钙钛矿型ABX3有机—无机杂化材料 A: 有机胺阳离子（例如CH3NH3+） B: 金属Pb+或者Sn+ X: Cl-、Br-、I-等卤素阴离子或者SCN- 钙钛矿太阳能电池中最常用的ABX3材料为甲胺铅碘（CH3NH3PbI3） 电子和空穴扩散长度：130、100nm 禁带宽度为1.51eV，在400~800nm范围内均有良好的吸收 1.51eV1.1~1.4eV 为单节太阳能电池半导体最佳带宽 甲胺铅碘的禁带宽度仍未达到最优的地步 由于在太阳光的成分中近红外和红外光占有相当大的比例，如果能够ABX3材料的禁带宽度降低，将光吸收范围延伸至近红外和红外区，就可以大幅提升钙钛矿太阳电池的光电流 ABX3型光伏材料结构与性质的关系 利用钙钛矿材料与硅材料（晶体硅1.12eV、微纳晶硅1.2~1.4eV）的禁带宽度差异，构建基于宽带隙钙钛矿材料与窄带隙硅材料的叠层太阳电池 顶电池的钙钛矿有源层 高能量光子 底电池的硅材料有源层 低能量光子 宽光谱高效光吸收 降低热效应 因此，非常有必要对ABX3型钙钛矿材料的禁带宽度进行调控以分别适应不同类型太阳能电池的要求 ABX3型光伏材料结构与性质的关系 钙钛矿的理想晶胞如图所示。BX6八面体顶点相连构成了钙钛矿结构的基本三维骨架。 A离子填充于12配位的晶格空隙中 位于立方体的8个顶点上 B离子位于体心 X离子位于6个面心点上 在这种晶体结构中离子半径间满足下列关系： RA+RB=t√2（RA+RB） t在0.77~1.1，以钙钛矿存在 t0.77，以铁钛矿存在 t0.11时以方解石或文石型存在 离子半径增大 晶胞扩展 禁带宽度变窄 吸收光谱红移 离子半径减小 晶胞收缩 禁带宽度变宽 吸收光谱蓝移 ABX3型光伏材料结构与性质的关系 要维持钙钛矿ABX3的三位晶体结构，就需要保证其容限因子t在0.77~1.1之间，A、B、X各离子的半径必须匹配。因此必须要选择合适的离子，使之既能形成钙钛矿结构，又能有合适的禁带宽度 阳离子A对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控 理论上使钙钛矿ABX3晶格扩大，禁带宽度变窄，吸收光谱红移，有利于获得更高的光电流 实际上阳离子半径太大不利于ABX3结晶在三位钙钛矿结构中，从而不具备钙钛矿材料的光电性能 例如，采用乙胺、丙胺、长链烷基或芳基胺阳离子代替MAPbI3中的MA+后所得材料通常为二维层状结构，但甲脒胺不同 甲胺 甲脒胺(HC(NH2)2+) 乙胺 离子半径： 0.18nm 0.19~0.22nm 0.23nm 它与PbI2反应能形成三维钙钛矿材料α?–FAPbI3，其禁带带宽（1.47eV）还小于甲胺铅碘的禁带宽度（1.47eV），更接近半导体最佳带宽（1.1~1.4eV） 采用离子半径较大的阳离子 阳离子A对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控 基于α?–FAPbI3的太阳能电池光电转换效率达到14.2% 采用α?–FAPbI3/ MAPbI3双层钙钛矿材料制备的太阳能电池获得了超过16%的光电转换效率 具有钙钛矿结构的α?–FAPbI3在常温环境下会转化成非钙钛矿结构的六方相α?–FAPbI3 通常会有黄色δ–FAPbI3的相生成，以及PbI2的残留等问题 阳离子A对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控 采用两步法引入混合阳离子（MAI和FAI），获得了不同配比的混合阳离子钙钛矿材料(MA)x(FA)1-x PbI3（x=0~1）： 研究表明，随着x的减小，其发射峰红移并且拓宽，吸收光谱也呈现出规律性的变化 混合钙钛矿 (MA)0.6(FA)0.4 PbI3 (14%) 单纯FAPbI3 (11%) 混合阳离子（MA+和FA+）及混合阴离子（Br-和I-）材料(MAPbBr3)x(FAPbI3)1-x (19.3%) Br-的引入会增大材料的禁带宽度，吸收光谱蓝移，不利于获得更高的光电流 金属离子B对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控 钙钛矿结构中B-X-B键的夹角对调节钙钛矿材料的带隙起着至关重要的作用。因此，通过改变不同