碱土金属锡酸盐钙钛矿薄膜的可控制备、掺杂及物理性能研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:doer
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钙钛矿太阳能电池作为一种新型薄膜太阳能电池,具有光电转换效率高、成本低等优势,是当前新型太阳能电池领域的研究热点。目前,钙钛矿太阳能电池的吸光层仍以有机-无机复合卤素钙钛矿材料(甲胺铅碘:CH3NH3PbI3)为主,该材料对环境水分的高度敏感性、潜在环境毒性极大限制了钙钛矿太阳能电池的应用。开发窄禁带、高稳定的全无机钙钛矿光吸收材料具有重要意义。碱土金属锡酸盐是一类典型的钙钛矿结构氧化物材料,具有禁带宽(3.18-4.5eV)、电阻大、高温稳定性好等特点,同时还有丰富的光学、电学、磁学特性,得到了广泛研究。特别的,其带隙可调特性使其非常适合作为钙钛矿太阳能的光吸收材料。然而国际上目前还没有这方面的研究报道。本论文重点探讨了金属掺杂碱土金属锡酸盐薄膜的制备方法及元素掺杂对其能带结构、光学/电学/磁学性能的影响规律,为其在钙钛矿太阳能电池器件中的应用奠定基础。本论文主要开展以下两方面工作:(1)Co掺杂SrSnO3薄膜的可控制备及物理性能:采用脉冲激光沉积方法,在MgO单晶衬底上生长了SrSn1-xCoxO3薄膜,考察了Co掺杂对SrSn1-xCoxO3薄膜微观结构、形貌和光、电、磁学性能的影响规律。结果表明,通过脉冲激光沉积技术制备的SrSn1-xCoxO3薄膜为外延薄膜,沿(100)方向取向生长,?扫描证明其为四方对称结构,表面平整致密;薄膜粗糙度随Co掺量增加而增加。在200-800 nm波长范围内,随Co掺量增加,薄膜光学透过率由95%降至56%;光学带隙由4.46 eV降至2.91 eV。表征了薄膜的介电及磁学性能,SrSn1-xCoxO3薄膜的介电常数最高可达213.17(10 kHz,室温),且在室温下表现出明显铁磁特性,饱和磁化强度随Co含量增加由2.38 emu/g增加到12.49 emu/g。(2)Co掺杂BaSnO3薄膜的制备及物理性能:采用脉冲激光沉积方法,在MgO单晶衬底上生长了BaSn1-xCoxO3薄膜,研究了Co掺杂对BaSn1-xCoxO3薄膜微观结构、形貌和光学性能的影响规律。结果表明,所得BaSn1-xCoxO3薄膜沿(100)方向外延生长,?扫描证明其为四方对称结构。BaSn1-xCoxO3薄膜表面平整致密,厚度约210 nm,膜层粗糙度随Co掺量增加而增加。在200-800 nm波长范围内,随Co掺杂含量增加,薄膜光学透过率由97%降至72%,光学带隙从3.23 eV降至2.31 eV。进一步构建了器件,研究了Co掺杂对BaSn1-xCoxO3薄膜光电性能的影响规律,其中BaSn0.65Co0.35O3薄膜的J-V曲线出现类似电池的特性,短路电流(Jsc)和开路电压(Voc)分别为5.57 mA/cm2和0.17 V,为其在钙钛矿太阳能电池器件中的应用奠定基础。
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