纯相二维层状钙钛矿

纯相二维层状钙钛矿薄膜 思维导图，可应用于吸光聚光装置和发光器件，本图介绍了其基础、结构、性质、相纯度等内容。

纯相二维层状钙钛矿薄膜

• 基础
  • 2D-LMHP
    • 无机层中插入有机阳离子间隔物，打破3D钙钛矿的容限因子
    • 有机无机层自然形成量子阱，间隔物充当绝缘屏障，限制量子阱中激子的离解
    • 有机间隔物种类，n值不同可以调节结构，激子性质，带隙
    • 介电常数失配，有介电限制
    • 无机-有机层形成多量子阱结构，有能量差异，导致电荷转移缓慢，载流子运输效率降低
  • 多相准2D钙钛矿
    • 不同量子阱随机宽度分布（杂质相和结构缺陷，加剧陷阱辅助复合，导致器件性能降低）
    • 低效电荷注入目标发射中心，导致偏置电压下几个PL峰共存
  • 纯相2D钙钛矿（n值固定）
    • 优点：少缺陷，带隙平坦，较小能量损失，较高稳定性
    • 实现相纯单分散结构（单晶）可提高器件效率和稳定性
• 结构
  • 2D带隙宽，吸收窗口窄 可由n调节
  • 小n值的2D钙钛矿在靠近衬底部分结晶，大n值的在膜顶部附近结晶
  • 实现单分散准2D钙钛矿膜和最大化可控结晶的关键是通过优化前体的组成和铸造温度来保持有利的形成能
  • 调整组分的化学计量比可以通过改善结晶动力学和化学相互作用来浓缩相分布，但QW在最终膜中的分布的完全控制仍然有限
  • 添加大配体终止钙钛矿无机框架形成特定量子阱宽度，配体大小影响电子结构和光电性能
  • 表征
    • GIWAXS：观察垂直取向的2D-LMHP的形成，在不同样品中识别不同量子阱宽度的有序域，但是不能测定相纯度
    • TA光谱（瞬态吸收）：确定2D-LMHP中每个单相分布比例
• 性质
  • 窄的量子阱宽度有利于器件性能和稳定性
  • 随机相分布和取向影响电荷转移速率和光生载流子收集效率
  • n值较低，激子结合能较大，不适合光伏，但激子行为强，直接复合的高PL产率适合发光器件
  • 单个量子阱的激子结合能决定电荷载流子定位和提取的速率，效率，从2D到3D单调下降
• 相纯度
  • 前体化学计量
    • 化学计量不平衡会形成异质钙钛矿膜，调节A位阳离子组成比可以调节量子阱结构
    • 增加长碳链配体化学计量比影响不同n值的2D-LMHP的PL峰
    • 可以改善结晶动力学和化学相互作用，集中相分布，但量子阱的分布不能完全控制
  • 配体
    • 配体终止无机框架，形成特定量子阱宽度增强稳定性
    • 烷基链长度增加产生较窄低n值的量子阱分布
  • 添加剂
    • 控制2D-LMHP膜结晶，形态，取向，原位钝化
    • 甲基卤化物铵盐提高钙钛矿结晶度，形貌均匀，减少能量无序，提高光伏性能
    • 羧酸用于合成铅基，锡基纯相2D钙钛矿晶体
    • 碱金属通过相分布重排降低最低n值结晶
  • 制造方法
    • 热铸法：高度均匀，优异的结晶度，优先平面外取向，窄量子阱分布
    • 热蒸发沉积法：消除了钙钛矿溶质，溶解度或溶剂混溶性的有关限制
    • 反溶剂法：膜质量差，相分布不均匀，严重相偏折，结晶速率和取向难以控制
    • 熔融处理：有机碘化物盐适当处理两步熔融获得低n值的相纯膜，但超过250℃卤化物或有机成分挥发影响相纯度
• 应用
  • 吸光聚光装置
    • 多相混合的钙钛矿在太阳能电池中稳定，但功率转换效率不高
    • 纯相2D钙钛矿增强载流子输运，提高器件稳定性，减少非辐射复合损失，抑制离子迁移
    • 调节纯相2D钙钛矿的n可以提取最大化电荷载流子
  • 发光器件
    • 透射复合，双分子辐射复合和俄歇非辐射复合间的竞争决定发光性能
• 展望
  • 实现具有特定厚度的规则量子阱分布
    • 调整结晶过程，选择适当配体
    • 最佳化学计量比中，控制分子间相互作用，抑制不期望相结晶
    • 添加剂辅助结晶，均匀胶体前体生长可抑制杂志相生成
  • 外延生长的2D卤化物钙钛矿，较软的晶格允许更大的晶格失配容限
  • 在高铸造温度下有机成分的损失以及形成无缺陷薄膜的困难。