有机无机钙钛矿材料课件.ppt

主讲人： 组员：,有机-无机杂化钙钛矿,概述,结构,性能,应用,一、有机-无机杂化钙钛矿材料概述,3,2012年底，随着第一个光电转换效率达到9.7%的全固态有机太阳能电池的公开报道，有机-无机杂化钙钛矿材料及其在太阳能中的应用成为全世界光伏领域关注的焦点,4,一、有机-无机杂化钙钛矿材料概述,什么是钙钛矿？,一类有着与钛酸钙（CaTiO3）相同晶体结构的材料,Gustav Rose在1839年发现，后来由俄罗斯矿物学家L. A. Perovski 命 名。结构式一般为ABX3，其 中 A 和 B 是两种阳 离子，X 是阴离子。,一、有机-无机杂化钙钛矿材料概述,5,什么有机-无机杂化钙钛矿？,有机无机杂化钙钛矿是立方钙钛矿(AMX3)的衍生物,结构中既有有机成分也有无机成分,二、有机-无机杂化钙钛矿结构,结构通式：ABO3 晶体结构：立方晶系 典型的钙钛矿结构材料为CaTiO3 A ：碱土或稀土离子rA 0.090nm B ：过渡金属离子rB 0.051nm,O2-和半径较大的Ca2+共同组成立方紧密堆积(面心结构)，Ti4+填充在位于体心的八面体间隙中。(注：待会删，陈蓉可演讲时讲),A、B位阳离子既可以由单一离子也可以由多种离子占据，根据A、B位阳离子的中立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。（可删）,1.钙钛矿结构,二、有机-无机杂化钙钛矿结构,钙钛矿结构中基本的 (AO3)4- (111) 面的密堆层,二、有机-无机杂化钙钛矿结构,钙钛矿晶体结构,B,A,X,A X B,结构通式：ABX3 A ：有机胺阳离子CH3NH3+（是可以平衡 BX3 阴离子电荷的有机胺阳离子可删） B ：金属阳离子（主要是 Pb）（可配位形成 八面体的金属阳离子（主要是 Pb） X ：阴离子（Cl-，Br-，I-）（为可与 B 形成配位八面体的阴离子（主要 由 Cl，Br，I 等元素构成）,由有机材料与无机材料的交替堆积形成了层状的有机-无机杂化钙钛矿结 构。 这种结构都具有量子阱的特性。,二、有机-无机杂化钙钛矿结构,2.有机-无机杂化钙钛矿结构（钙钛矿的衍生物）,将介电常数较小的有机层加入到介 电常数较大的无机层中，有机层会减小对无机势阱层中电子和空穴的屏蔽作用，增加电子-空穴结合的库仑作用力，使杂化钙钛矿具有更大的激子结合能,介电约束效应,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,量子约束效应,二、有机-无机杂化钙钛矿结构,介电约束效应,量子约束效应,较大的激子结合能 强的室温光致发光特性 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,联合作用,调节无机和有机的组分,二、有机-无机杂化钙钛矿结构,三、有机-无机杂化钙钛矿材料的性能,应用广泛,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,特殊的杂化结构,13,可编辑,14,二、有机-无机杂化钙钛矿的应用,1.光吸收性质钙钛矿太阳能电池,优点： 节能 环保,缺点： 光电转换效率低,15,二、有机-无机杂化钙钛矿的应用,几种薄膜太阳能电池光电转换效率近20年来的提升情况,年份,光电转换效率%,钙钛矿,PV有机太阳能电池 DSSC染料敏化太阳能电池 a-Si非晶硅太阳能电池,基于有机-无机杂化钙钛矿材料 (CH3NH3PbX3) 制备的太阳电池效率自 2009 年从 3.8% 增长到 19.6%。,钙钛矿太阳能电池结构,典型钙钛矿电池结构,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,二、有机-无机杂化钙钛矿的应用,二、有机-无机杂化钙钛矿的应用,17,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。,二、有机-无机杂化钙钛矿的应用,18,钙钛矿太阳能电池的优点,成本低 效率高,钙钛矿光吸收系数高 能带间隙合适 载流子运输特性好 激子寿命长且束缚能低 钙钛矿材料廉价易得,19,2.突出的光电性能和光致发光特性发光二极管,有机一无机杂化钙钛矿材料具有十分优异的光电性质，光致发光性能较好，其载流子具有较长的寿命和较快的迁移速率，在低压下就能够产生发光效应。,二、有机-无机杂化钙钛矿的应用,二、有机-无机杂化钙钛矿的应用,3.在激光器上的应用,钙钛矿材料作为激光材料的优势： 对于量子激光的增益效果十分好 俄歇复合率也较低 具有阈值低的特性,二、有机-无机杂化钙钛矿的应用,21,4.在传感器和探针方面的应用,二、有机-无机杂化钙钛矿的应用,5.其它应用 有机一无机杂化钙钛矿材料在电