有机钙钛矿材料研究进展ppt课件
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有机钙钛矿材料研究进展ppt课件
Peidong Yang et al ,pnas ,2016 ,10,1073
钙钛矿材料的性质与应用
能带工程
杂化钙钛矿薄膜的一个优势是可以在分子水平上调控杂化 钙钛矿材料的组成成分, 从而有效调控其带隙.
Maksym V. Kovalenko通过阴离子交换改变钙钛矿中卤素原子 比例得到波长可调制的发光量子点（365nm紫外灯照射）
看起来MA对导带和价带不起什么作用，除 了贡献一个电子，稳定其结构。
考虑立方晶系下MA–PbI3的电子能态结构和分波态密度：MA取 向的不同会使得PbI6八面体发生扭曲，从而改变其电子结构
钙钛矿材料的性质与应用
近年来钙钛矿材料，特别是有机---无机钙钛矿材料正成为太阳能电池领域的新星， 其优异的光电转换效率吸引着人们的研究。
adv.optical mater. 2014,2,838-844
钙钛矿材料的性质与应用
发光原理及性能
ns
kBT ≈25 meV
共存
μs 不同钙钛矿材料的激子束缚能
竞争 钙钛矿材料光物理过程示意图
钙钛矿材料的性质与应用
钙钛矿材料具有高光吸收能力、高量子效率、高载流子迁移率以及发 射波长可进行调节等优点，非常适合作为激光增益介质.
• A、B位阳离子既可由单一离子也可由多种离子 占据，根据A、B位阳离子的种类及其离子半径 的不同 ，可以构筑出微结构特征各异、物理性 能千变万化的钙钛矿材料。
认识钙钛矿结构材料
有机-无机杂化钙钛矿 （Organic/Inorganic Hybrid Perovskite,OIHP)的 结构和物理性质最早由Weber（Naturforsch. 1978,33b, 1443）报道。它可看成是有机基团和无机部分的交替堆 叠.
钙钛矿材料的性质与应用
能带工程
杂化钙钛矿薄膜的一个优势是可以在分子水平上调控杂化 钙钛矿材料的组成成分, 从而有效调控其带隙.
Maksym V. Kovalenko通过阴离子交换改变钙钛矿中卤素原子 比例得到波长可调制的发光量子点（365nm紫外灯照射）
看起来MA对导带和价带不起什么作用，除 了贡献一个电子，稳定其结构。
考虑立方晶系下MA–PbI3的电子能态结构和分波态密度：MA取 向的不同会使得PbI6八面体发生扭曲，从而改变其电子结构
钙钛矿材料的性质与应用
近年来钙钛矿材料，特别是有机---无机钙钛矿材料正成为太阳能电池领域的新星， 其优异的光电转换效率吸引着人们的研究。
adv.optical mater. 2014,2,838-844
钙钛矿材料的性质与应用
发光原理及性能
ns
kBT ≈25 meV
共存
μs 不同钙钛矿材料的激子束缚能
竞争 钙钛矿材料光物理过程示意图
钙钛矿材料的性质与应用
钙钛矿材料具有高光吸收能力、高量子效率、高载流子迁移率以及发 射波长可进行调节等优点，非常适合作为激光增益介质.
• A、B位阳离子既可由单一离子也可由多种离子 占据，根据A、B位阳离子的种类及其离子半径 的不同 ，可以构筑出微结构特征各异、物理性 能千变万化的钙钛矿材料。
认识钙钛矿结构材料
有机-无机杂化钙钛矿 （Organic/Inorganic Hybrid Perovskite,OIHP)的 结构和物理性质最早由Weber（Naturforsch. 1978,33b, 1443）报道。它可看成是有机基团和无机部分的交替堆 叠.
钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展
一、钙钛矿太阳能电池概述
钙钛矿太阳能电池主要利用钙钛矿型光敏材料吸收太阳光并产生电流。钙钛 矿太阳能电池的基本原理是将具有特定结构与组成的光敏材料（通常为有机-无 机混合晶体）置于太阳光下，光子能量被吸收并传递至电子，形成光生电流。
二、钙钛矿太阳能电池研究现状
目前，钙钛矿太阳能电池的研究主要集中在制备方法、性能优化和应用前景 等方面。在制备方法方面，常见的有溶液旋涂法、气相沉积法、激光脉冲法等。 在性能优化方面，研究者们通过材料组分优化、界面工程、纳米结构设计等手段， 不断提升钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。在应用前景方面，钙钛矿太阳能电 池因其低成本、高效率等优势，有望在光伏发电、移动能源等领域得到广泛应用。
四、结论
钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展为实现绿色、可持续能源发展提供 了新的契机。本次演示介绍了钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究现状、进展以 及未来展望，总结了其重要性和研究意义，并指出了未来发展的趋势和挑战。随 着科学技术的不断进步和新材料、新工艺的不断涌现，钙钛矿太阳能电池将在提 高效率、降低成本、优化稳定性和扩大应用领域等方面取得更加显著的成果，为 解决全球能源需求和环境问题作出重要贡献。
降低成本是推动钙钛矿太阳能电池实际应用的关键因素之一。未来，通过优 化制备工艺、选用低成本原材料和实现大面积制备等方法，有望降低钙钛矿太阳 能电池的制造成本，提高其经济竞争力。
优化稳定性和扩大应用领域也是钙钛矿太阳能电池未来发展的重要方向。尽 管钙钛矿太阳能电池已经显示出了优异的性能和潜力，但其在真实环境下的稳定 性和耐候性仍需进一步改善。此外，钙钛矿太阳能电池的应用领域也应该得到进 一步拓展，例如将其应用于建筑、交通和移动能源等领域，以实现绿色能源的综 合利用。
二、钙钛矿太阳能电池材料和器 件的研究进展
钙钛矿ppt
1、单一化运输 2、光吸收能力基本不变情况下， 材料所需厚度减小 3、三组分材料，无限的操作空间， 结构无限可能
FIVE 市场化问题
1、没有严格的器件性能评估方法。 2、 电池效率的可重现性差。 3、 材料对空气和水的耐受性以提高器件的稳定性差。 4、 电池材料有毒。 5、 无法大规模生产。
钙钛矿矿物就是Байду номын сангаасBNNO（或Ba，Ni共改性
金属电极 HTM
钙钛矿光敏层 ETM FTO 玻璃
FOUR 光转化为电能
激子生成示意图
太阳光入射到电池吸收层后随即被吸收， 光子的能量将原来束缚在原子核周围的电 子激发，使其形成自由电子。 由于物质整体上必须保持电中性，电子被 激发后就会同时产生一个额外的带正电的 对应物，物理学上将其叫做空穴。这样的 一个“电子--空穴对”就是科学家们常说 的“激子”。
光阳极：FT0和|T0导电玻璃 电子传输层(ETL)：接收带负电荷的电子载流子并且传输电子载流子的 材料，n型半导体。作用：促进光生电子-空穴对分离，提高电荷传输 效率。实验中背电极(Ag电极)一般用Ti02，但Ti02吸收紫外光产生光生 空穴影响钙钛矿太阳能电池的稳定性，所以空穴传输层用ZnO， Al2O3,Wo3，Zr0代替 光吸收层：钙钛矿层，收太阳光产生电子光阳极(FTO/To)空穴对，从 而高效的传输电子和空穴； 玻璃空穴传输层(HTL)：传输空穴；作用：促进电子和空穴在界面处的 分离，减钙钛矿太阳能电池的结构少复合，提高电池性能。实验中都 是spiro- OMe TAD，然而 spIro- OMe TAD的价格P型半导体昂贵、制备 工艺复杂，不利于大面积投入钙钛矿层到生产中，所以用P3HT， PCBM等有机物代替 背阴极：Au或Ag
的KNbO 3纳米晶体）越来越普及的电子设备，如手机和笔
FIVE 市场化问题
1、没有严格的器件性能评估方法。 2、 电池效率的可重现性差。 3、 材料对空气和水的耐受性以提高器件的稳定性差。 4、 电池材料有毒。 5、 无法大规模生产。
钙钛矿矿物就是Байду номын сангаасBNNO（或Ba，Ni共改性
金属电极 HTM
钙钛矿光敏层 ETM FTO 玻璃
FOUR 光转化为电能
激子生成示意图
太阳光入射到电池吸收层后随即被吸收， 光子的能量将原来束缚在原子核周围的电 子激发，使其形成自由电子。 由于物质整体上必须保持电中性，电子被 激发后就会同时产生一个额外的带正电的 对应物，物理学上将其叫做空穴。这样的 一个“电子--空穴对”就是科学家们常说 的“激子”。
光阳极：FT0和|T0导电玻璃 电子传输层(ETL)：接收带负电荷的电子载流子并且传输电子载流子的 材料，n型半导体。作用：促进光生电子-空穴对分离，提高电荷传输 效率。实验中背电极(Ag电极)一般用Ti02，但Ti02吸收紫外光产生光生 空穴影响钙钛矿太阳能电池的稳定性，所以空穴传输层用ZnO， Al2O3,Wo3，Zr0代替 光吸收层：钙钛矿层，收太阳光产生电子光阳极(FTO/To)空穴对，从 而高效的传输电子和空穴； 玻璃空穴传输层(HTL)：传输空穴；作用：促进电子和空穴在界面处的 分离，减钙钛矿太阳能电池的结构少复合，提高电池性能。实验中都 是spiro- OMe TAD，然而 spIro- OMe TAD的价格P型半导体昂贵、制备 工艺复杂，不利于大面积投入钙钛矿层到生产中，所以用P3HT， PCBM等有机物代替 背阴极：Au或Ag
的KNbO 3纳米晶体）越来越普及的电子设备，如手机和笔
钙钛矿结构及其制备方法 ppt课件
的高标准排放的催化载体。
１５－３０、氧化铁０－０．５％及小于
３％的钾、钠和钙；。
催化剂后可达到更好的尾气净化功能，它 ５－５５、氧化铁０．５－１％及小于３
比起其它材料制作的蜂窝载体具有成品率 ％的钾、钠和钙；所述滑石粉含有镁２５
高、更高的抗热震性能、导热快、强度高、 －３５％，氧化硅５０－６５％、氧化铁
吸水率高、易于涂覆均匀、涂覆量高、将 ０－０．５％、氧化铝０－１５％、；所
少涂覆次数、使用寿命长等，是目前理想 述长石含有氧化铝３５－６５％、氧化硅
过渡金属原子半径
发明专利名称：
一种催化净化CO、NOX、HC的稀有过渡金属催化
专利号：ZL 2009 1 0114068.1
技术简要说明: 本发明公开了一种催化净化CO、NOx、HC 的稀有过渡金属催化剂。目前，利用贵金 属和γ－氧化铝的载体作用，对废气中的有 害物质进行催化净化，存在着在高温下γ－ 氧化铝载体会向α－氧化铝转化而呈现中毒 状态；使用钯、铂、铑等贵金属作为催化 剂，其成本过于昂贵问题。而本发明提供 了一种稀有过渡金属催化剂，克服现有催 化净化剂中氧化铝高温下易失效，并需要 贵金属的不足之处。本发明具备“储氧功 能”，“抗毒性功能”，“结构稳定功 能”，具有活性高、热稳定性好、抗老化、 使用寿命长，特别是具有抗铅中毒的特点 及一定范围内加大涂覆量，其催化净化效 果会随涂覆量的增加而提高的特点。其催 化、净化处理量达９０％以上，特别是对 ＣＯ的处理净化可达１００％。
发明专利名称：
以红柱石为主成份的发动机尾气催化蜂窝载体及制备方法
专利号：2
主权利要求：
ห้องสมุดไป่ตู้
技术简要说明:
以红柱石为主成份的发动机尾气催化蜂窝
钙钛矿太阳能电池文献总结报告PPT课件
70℃加热搅拌至澄清后旋涂到介孔TiO2 上; 晾干 后，将衬底浸入含CH3NH3I 的异丙醇溶液中， 随后热处理即可制得钙钛矿薄膜。
Company Logo
制备方法
• 3）蒸发法：控制PbI2 和CH3NH3I 的蒸发速
率来控制钙钛矿薄膜的组成，由此形成了一种新型 的平面异质结型钙钛矿太阳电池。
• 发展
将一种固态的空穴传输材料(spiro-OMeTAD) 引入到钙钛矿太阳电池中，取代液态电解质。
• 继续发展
Snaith等人首次将Cl 元素引入钙钛矿中, 并使用Al2O3 替代TiO2, 证明钙钛矿不 仅可作为光吸收层, 还可作为电子传输层。
3
Company Logo
工作原理、结构和性能
Defects、benign grain boundary recombination Effects等优良性能，载流子复合
机率小，迁移率高
Company Logo
工作原理
电子通过电子传输
层（ETL），最后被 FTO收集；空穴通过空 穴传输层（HTL），最 后被金属电极收集。
最后将FTO与金属电极 连接成电路而产生光
艺下，SEOK小组获得了认证效率达 16.2%的钙钛矿太阳能电池器件。
或许是由于非溶剂（甲苯）的 加入，钙钛矿组份会从前驱体 溶液中迅速析出，形成MAI-PbI2DMSO 中间相，且结晶度很好。
最后一步，在100℃环境 下annealing（退火？）10分钟，除 去中间相中的DMSO得到MAPBI3
Company Logo
制备方法-前驱体的作用
• 1）氯在薄膜制备中的作用
Lee小组采用PbCl2与MAI作为前驱体溶液，并声称得到的产 物为MAPbI3xClx。
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制备方法
• 3）蒸发法：控制PbI2 和CH3NH3I 的蒸发速
率来控制钙钛矿薄膜的组成，由此形成了一种新型 的平面异质结型钙钛矿太阳电池。
• 发展
将一种固态的空穴传输材料(spiro-OMeTAD) 引入到钙钛矿太阳电池中，取代液态电解质。
• 继续发展
Snaith等人首次将Cl 元素引入钙钛矿中, 并使用Al2O3 替代TiO2, 证明钙钛矿不 仅可作为光吸收层, 还可作为电子传输层。
3
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工作原理、结构和性能
Defects、benign grain boundary recombination Effects等优良性能，载流子复合
机率小，迁移率高
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工作原理
电子通过电子传输
层（ETL），最后被 FTO收集；空穴通过空 穴传输层（HTL），最 后被金属电极收集。
最后将FTO与金属电极 连接成电路而产生光
艺下，SEOK小组获得了认证效率达 16.2%的钙钛矿太阳能电池器件。
或许是由于非溶剂（甲苯）的 加入，钙钛矿组份会从前驱体 溶液中迅速析出，形成MAI-PbI2DMSO 中间相，且结晶度很好。
最后一步，在100℃环境 下annealing（退火？）10分钟，除 去中间相中的DMSO得到MAPBI3
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制备方法-前驱体的作用
• 1）氯在薄膜制备中的作用
Lee小组采用PbCl2与MAI作为前驱体溶液，并声称得到的产 物为MAPbI3xClx。
钙钛矿太阳能电池技术与发展ppt课件
气相沉积法：用PbCl2和MAI在真空下进行混蒸 辅助气相沉积法：先旋涂PbI2薄膜，烘干后，在MAI气氛下退火
12.1%
15%
二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制 2.4气相法（2）
分步气相法（SVD）：将PbCl2蒸镀成平整的薄膜，再在加热的衬底上蒸镀上MAI薄膜 闪蒸法（FE）：将钙钛矿粉末作为蒸发源，利用较大的电流，瞬间蒸发形成薄膜 CVD法：将MAI粉末至于高温段，通过氮气气流，MAI蒸汽到达放置了PbI2薄膜的低温段进行反应
层叠结构 厚度~400nm 制作简单 开路电压高 重复性较差 形貌不稳定 回滞较明显
介孔结构
平面异质结结构（p-i-n）
钙钛矿电池的发展过程
最佳结构
二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制 2.1一步旋涂法
不同前驱液配比 PbI2：MAI
不同退火温度
常见参数： 溶剂：DMF，GBL，DMSO 配比：PbI2：MAI=1：1，PbCl2：MAI=1:3 旋涂速度：2000-4500 rpm 退火温度：常温~130°C 溶液浓度：1M
为解决介孔结构上钙钛矿负载量小，表面起伏较大等问题，制作工艺随之发展
一步法
两步法
纳米碳管作为介孔材料
三、钙钛矿太阳能电池的结构优化 3.1介孔结构PSC 3.1.1半导体介孔材料（ZnO）
通过精确调控参数也使得该类型器件效率达到15.7% 不需要经过高温烧结，工艺简单 可运用雨柔性衬底
钙钛矿形貌
柔性电池
三、钙钛矿太阳能电池的结构优化 3.1介孔结构PSC 3.1.1绝缘体介孔材料
绝缘体介孔材料仅祈祷骨架辅助成膜作用，不参与载流子输运，在材料选择上具有很大自由度
Al2O3介孔材料
ZrO2介孔材料
12.1%
15%
二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制 2.4气相法（2）
分步气相法（SVD）：将PbCl2蒸镀成平整的薄膜，再在加热的衬底上蒸镀上MAI薄膜 闪蒸法（FE）：将钙钛矿粉末作为蒸发源，利用较大的电流，瞬间蒸发形成薄膜 CVD法：将MAI粉末至于高温段，通过氮气气流，MAI蒸汽到达放置了PbI2薄膜的低温段进行反应
层叠结构 厚度~400nm 制作简单 开路电压高 重复性较差 形貌不稳定 回滞较明显
介孔结构
平面异质结结构（p-i-n）
钙钛矿电池的发展过程
最佳结构
二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制 2.1一步旋涂法
不同前驱液配比 PbI2：MAI
不同退火温度
常见参数： 溶剂：DMF，GBL，DMSO 配比：PbI2：MAI=1：1，PbCl2：MAI=1:3 旋涂速度：2000-4500 rpm 退火温度：常温~130°C 溶液浓度：1M
为解决介孔结构上钙钛矿负载量小，表面起伏较大等问题，制作工艺随之发展
一步法
两步法
纳米碳管作为介孔材料
三、钙钛矿太阳能电池的结构优化 3.1介孔结构PSC 3.1.1半导体介孔材料（ZnO）
通过精确调控参数也使得该类型器件效率达到15.7% 不需要经过高温烧结，工艺简单 可运用雨柔性衬底
钙钛矿形貌
柔性电池
三、钙钛矿太阳能电池的结构优化 3.1介孔结构PSC 3.1.1绝缘体介孔材料
绝缘体介孔材料仅祈祷骨架辅助成膜作用，不参与载流子输运，在材料选择上具有很大自由度
Al2O3介孔材料
ZrO2介孔材料
2020年钙钛矿结构及相关功能材料(PPT60页)参照模板可编辑
介电体 压电体 热释电体
铁电体
MO2 分子的极化过程示意图
化合物要具有好的铁电性能，需要满足以下条件：
必须具有改变原子相对位置的柔性基本结构，该结构应能灵活的改变原子相 对位置。
有一个轻微变形的晶体结构（某一方向），该结构中正负电荷中心不重合， 即晶体沿一个方向有极化。
c≠a
c=a
c≠a
钙钛矿结构化合物对于铁电体来说正是这样一种好的结构。 因为：
主要应用
电声器：扬声器、送话筒、 水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器 雷达中的陶瓷表面波器件 通讯设备：陶瓷滤波器 精密测量：压力计 红外技术：红外热电探测器 高压电源：变压器 高密度信息存储
2.3 钙钛矿系庞磁阻(CMR)材料
CMR：Colossal Magneto-resistance
巨磁电阻效应（Giant Magneto-resistance，GMR）
由于畸变，使一些钙钛矿晶体结构中正、负电荷中 心不重合，即晶胞中产生偶极矩，产生自发极化。
2.2.2 压电和热释电效应
在机械应力的作用下介质发生 极化，形成晶体表面电荷的效 应称为压电效应。
反之，当外加电场于晶体，晶 体发生形变的效应称为逆压电 效应。逆压电效应也称电致伸 缩效应。这样的性质称为晶体 的压电性。具有压电效应的晶 体称为压电体。
斜方晶系 ( 111）方向↓←- 80 oC
三方晶系
立方晶系
Ps 斜方晶系
Ps 四方晶系
Ps 三角晶系
BaTiO3单晶的介电常数与温度的关系
2. BaTiO3自发极化产生的原因：
Ti4+－O2-间距大（2.005A），故氧八面体间隙大, 因而Ti4+ 离子能在氧八面体中震动。
有机无机钙钛矿材料ppt课件
金属阳离子 B 2+和阴离子 X- 通过强配位键形成坚硬的无机八面体框架 BX6 4-结构， B 原子位于卤素八面体的体心，而 X 原子在八面体顶点 位置，并通过共顶方式 连接，并在三维空间形成网络状的框架结构； 有机铵阳离子 A 填充在共顶连接 的八面体形成的空隙之中
10
二、有机-无机杂化钙钛矿结构
介电约 束效应 联合作用
量子约 束效应
较大的激子结合能
调节无机和
强的室温光致发光特性 有机的组分
较高的载流子迁移率
非线性光学效应…
在光电领域 的巨大应用 前景
11
三、有机-无机杂化钙钛矿材料的性能
特 殊
载流子迁移率高、
扩散长度长
应
的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光吸收能力强
用
杂
发光效率高
广
化 结
能带工程
泛
构
制备工艺低成本
12
二、有机-无机杂化钙钛矿的应用
钙钛矿
%
年份 几种薄膜太阳能电池光电转换效率近20年来的提升情况
14
二、有机-无机杂化钙钛矿的应用
钙钛矿太阳能电池结构
电极 传输电子，阻碍空穴 钙钛矿吸收层（300 nm） 传输空穴，阻碍电子
空穴迁移层 导电玻璃
典型钙钛矿电池结构
15
二、有机-无机杂化钙钛矿的应用
钙钛矿太阳能电池工作原理
当钙钛矿吸收质吸收太阳光受激后，产生电子空穴对，激子在吸 收层运动至钙钛矿吸收层与电子传输层与空穴传输层后发生分,电 子注入电子传输层（阳极），空穴注入空穴传输层（阴极）,最后 经外部电路循环形成回路电流。
主讲人： 组员：
1
概述 结构 性能
应用
10
二、有机-无机杂化钙钛矿结构
介电约 束效应 联合作用
量子约 束效应
较大的激子结合能
调节无机和
强的室温光致发光特性 有机的组分
较高的载流子迁移率
非线性光学效应…
在光电领域 的巨大应用 前景
11
三、有机-无机杂化钙钛矿材料的性能
特 殊
载流子迁移率高、
扩散长度长
应
的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光吸收能力强
用
杂
发光效率高
广
化 结
能带工程
泛
构
制备工艺低成本
12
二、有机-无机杂化钙钛矿的应用
钙钛矿
%
年份 几种薄膜太阳能电池光电转换效率近20年来的提升情况
14
二、有机-无机杂化钙钛矿的应用
钙钛矿太阳能电池结构
电极 传输电子，阻碍空穴 钙钛矿吸收层（300 nm） 传输空穴，阻碍电子
空穴迁移层 导电玻璃
典型钙钛矿电池结构
15
二、有机-无机杂化钙钛矿的应用
钙钛矿太阳能电池工作原理
当钙钛矿吸收质吸收太阳光受激后，产生电子空穴对，激子在吸 收层运动至钙钛矿吸收层与电子传输层与空穴传输层后发生分,电 子注入电子传输层（阳极），空穴注入空穴传输层（阴极）,最后 经外部电路循环形成回路电流。
主讲人： 组员：
1
概述 结构 性能
应用
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光电探测器
燃料电池
有机钙钛矿材料的制备
块状晶体制备
量子点制备
大块钙钛矿单晶生长 Jinsong Huang et al,DOI: 10.1126/science.aaa5760
Haizheng Zhong et al,acsnano,2015,9 4533– 4542
有机钙钛矿材料的制备
薄膜制备
T6/10
钙钛矿材料研究进展
报告人：张帅 时间：2016.2.25
报告目录
1 认识钙钛矿结构材料 2 钙钛矿材料的性质与应用 3 有机钙钛矿材料的制备 4 研究任务与挑战
认识钙钛矿结构材料
天然钙钛矿结构
钙钛矿典型模式图
• 以ABX3为基本化学式的钙钛矿因最早发 现于钙钛矿石中的钛酸钙(CaTiO3)化合 物而得名。钙钛矿结构的特征是以B位 阳离子为中心的X八面体共顶连接、并 嵌在以A位离子为顶点的四方体中。
THANK YOU
SUCCESS
2019/6/10
钙钛矿材料的性质与应用
光吸收能力
钙钛矿和其他太阳能电池材料的吸收系数
作为一个直接带隙半导体, 钙钛矿型有机-无机杂化半导 体在可见光波段有着很高的宽带吸收效率
nature photonics 2014,8,506-
CH3NH3PbX3的光吸收谱(虚线)和PL 谱(实线)，PL谱的峰距光吸收带边 沿有很小的斯托克斯位移。表明钙 钛矿晶体具有很小的振动弛豫
四角晶系（162-327K） 斜方晶系（小于162K）
认识钙钛矿结构材料
有机阳离子起什么作用？
低温（<150k）, PbI6八面体 发生畸变，MA只能沿C-N键旋 转
温度升高后，MA可沿C-N键平行或 垂直转动
低温斜方晶系下MA–PbI3的电子能 态结构和分波态密度（左：含MA,右， 不含MA）。表现为直接带隙。
adv.optical mater. 2014,2,838-844
钙钛矿材料的性质与应用
发光原理及性能
ns
kBT ≈25 meV
共存
μs 不同钙钛矿材料的激子束缚能
竞争 钙钛矿材料光物理过程示意图
钙钛矿材料的性质与应用
钙钛矿材料具有高光吸收能力、高量子效率、高载流子迁移率以及发 射波长可进行调节等优点，非常适合作为激光增益介质.
Nano Lett. 2015, 15, 5635−5640
Snaith 小组发现钙钛矿材料 APbI3的禁带宽度随着有机 基团 A 体积的增大而减小,采用Cs或者甲脒基团来代替甲 胺基团可以获得禁带宽度为 1.73 eV 和 1.48 eV 的钙
钙钛矿材料的性质与应用
其他方面的应用
钙钛矿发光二极管示意图
左：MAPbI3(65 nm)薄膜在 600 nm 激发光下的光致 发光光谱, 具有明显的 SE 到 ASE 转换。右：光致 发光强度随泵浦强度的变化曲线
左：CsPbBr3 纳米线暗场视野图（A）和在飞秒激光不 同功率激励下的视野图（B,C,D功率依次增加）。右： CsPbBr3 在不同功率下的PL谱（对数尺度）
• A、B位阳离子既可由单一离子也可由多种离子 占据，根据A、B位阳离子的种类及其离子半径 的不同 ，可以构筑出微结构特征各异、物理性 能千变万化的钙钛矿材料。
认识钙钛矿结构材料
有机-无机杂化钙钛矿 （Organic/Inorganic Hybrid Perovskite,OIHP)的 结构和物理性质最早由Weber（Naturforsch. 1978,33b, 1443）报道。它可看成是有机基团和无机部分的交替堆 叠.
Peidong Yang et al ,pnas ,2016 ,10,1073
钙钛矿材料的性质与应用
能带工程
杂化钙钛矿薄膜的一个优势是可以在分子水平上调控杂化 钙钛矿材料的组成成分, 从而有效调控其带隙.
Maksym V. Kovalenko通过阴离子交换改变钙钛矿中卤素原子 比例得到波长可调制的发光量子点（365nm紫外灯照射）
钙钛矿太阳能电池转换效率进展
钙钛矿 受关注 的原因
载流子迁移率高， 扩散长度长
光吸收能力强 发光效率高 能带工程 制备工艺低成本
钙钛矿材料的性质与应用
载流子迁移率和扩散长度
陷阱填满处电压 绿线拟合区域无陷阱电荷，满足
1sun和0.1sun照射下钙钛矿单 晶的瞬态光伏曲线，插入的是 电荷复合寿命随光照强度的变 化。
“一步法” 和“两步法” 旋涂制备钙钛矿薄膜
N .-G. P ark et al, APL Mater. 2014, 2, 081510.
气相辅助生长：通过PbI2薄膜和MAI蒸汽在 惰性气体保护下反应（150度，2小时）， 右侧，SEM俯视图
G. Li and Y. Yang et al, J. Am. Chem. Soc., 2013, 136, 622–625.
看起来MA对导带和价带不起什么作用，除 了贡献一个电子，稳定其结构。
考虑立方晶系下MA–PbI3的电子能态结构和分波态密度：MA取 向的不同会使得PbI6八面体发生扭曲，从而改变其电子结构
钙钛矿材料的性质与应用
近年来钙钛矿材料，特别是有机---无机钙钛矿材料正成为太阳能电池领域的新星， 其优异的光电转换效率吸引着人们的研究。
CH3NH3 Pb CI,Br,I
认识钙钛矿结构材料
0.813
立方晶系
(C4H9NH3)2PbBr4
1.107
由容忍因子可知，A处阳离子体积最大。然而当A处的离 子太大时，例如长链烷基胺，钙钛矿会成为二维层状的 结构。
OIHP随温度 降低结构发 生畸变，对 称性下降。 当温度大于 327K时 CH3NH3PbI3 为标准的立 方晶系结构， 当温度降低 时，依次变 为四角晶系 和斜方晶系。