ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控

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：0.18nm0.19~0.22nm0.23nm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-xPbI3（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)0.4PbI3(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，通过改变不同金属离子来调控钙钛矿材料的结构和性质同样备受关注根据元素周期律Ge2+比Pb2+和Sn2+更容易被氧化这三者的稳定性大小依次为AGeI3ASnI3APbI3CH3NH3SnI3CH3NH3PnI3用Sn2+代替Pb2+与CH3NH3PnI3在室温条件下通常为低对称的β相不同，CH3NH3SnI3即使在室温下也是以最高对称性的α相存在的。研究表明，CH3NH3SnI3具有相比于CH3NH3PbI3更小的禁带宽度，约为1.3eV以CH3NH3SnI3为光吸收层的电池光谱吸收可达950nm金属离子B对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控当CH3NH3SnI3中的I-按照不同比例掺入Br-之后，材料的禁带宽度在1.3~2.15eV之间改变，相应的吸收也介于650~950nm之间。经过调节优化Br-与I-之间的比，他们用一步法制备得到的由CH3NH3SnIBr2作为光吸收层的太阳能电池，其光电转换效率最高为5.73%以CH3NH3Sn1-xPbxI3钙钛矿为基础，通过改变其中Sn与Pb的比例，将吸收进一步增加到1050nm的近红外区域，最大短路电流达到20mA·cm-2(对应于x=0.5)。混合CH3NH3Sn1-xPbxI3钙钛矿的能级并不随着x的变化在1.3~1.5eV之间呈线性变化，而是都小于1.3eV卤素阴离子X对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控对于卤素阴离子而言，从Cl到I离子半径增大导致ABX3的晶格常数变大，钙钛矿材料的吸收光谱会发生红移混合卤素钙钛矿CH3NH3PbI2Cl10.9%以CH3NH3PbI2Br为吸收层4.87%采用CH3NH3PbI2Br通过一种热分解的方法制备的平面结构太阳能电池10%以CH3NH3Pb(I1-xBrx)3为材料，通过改变其中I和Br的比例高效并且稳定卤素阴离子X对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控(a)表明了MAPb(I1-xBrx)3（0≦x≦1）随着x的增大其XRD以及晶格参数a的变化情况。随着x的增大，晶体中的点阵间距不断减小，而四方相的（004）晶面逐渐消失并转化为对称性更高的立方相的（200）晶面，进一步增大x,（200）的峰向着更高的2θ值发生位移。(b)展示了MAPb(I1-xBrx)3钙钛矿随着x的变化的吸收光谱和带隙的变化规律，随着x的增大，其吸收上限可以从786nm（1.58eV）调节到544nm（2.28eV），导致了电池颜色的可调性。他们还通过拟合提出了能带宽度Eg与x之间的经验公式：Eg=1.57+0.39x+0.33x2（0≦x≦1）当x=0.2时，同样条件下电池的稳定性大大优于其他电池。