具有氧化还原活性的基团的铅光电材料的制备及研究【字数：9437】
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其光电转换效率高、制备工艺简单等优势在国内外掀起了研究热潮。但现有钙钛矿电池材料存在在潮湿环境下不稳定、大规模产业化难生产等问题。为了提高钙钛矿材料的稳定性和可控性，本文设计合成了一种有机无机碘化铅光电材料，并其性质进行了研究。本文以四硫富瓦烯（TTF）为有机阳离子，在溶剂热条件下与铅离子反应，得到了一种有机无机材料—化合物1。用红外和XRD对化合物1的结构进行了初步表征，X-射线单晶衍射显示该化合物的为单核结构，化学式为（TTF）Pb2I5。紫外-可见光谱表明该材料具有较宽的紫外吸收范围，ESR测试显示该化合物中存在自由基。另外还通过自制的Schottky器件研究了材料的光电响应性能。
目 录
1前言 1
1.1引言 1
1.2 太阳能电池的发展历程 1
1.2.1第一代太阳能电池：晶硅电池 2
1.2.2第二代太阳能电池：多元化合物薄膜太阳能池 3
1.2.3第三代太阳能电池：染料敏化太阳能电池 4
1.3有机无机杂化钙钛矿的概述 5
1.3.1有机无机杂化钙钛矿的研究背景 5
1.3.2有机无机杂化钙钛矿的工作原理 5
1.3.3有机无机杂化钙钛矿的制备方法 6
1.3.4有机无机杂化钙钛矿的发展趋势 7
1.4四硫富瓦烯的概述 7
1.5本课题研究的目的和意义 9
2实验部分 10
2.1实验的主要药品 10
2.2实验的主要仪器 10
2.3化合物的合成与收集 11
3结果与分析 13
3.1晶体结构的表征 13
3.2化合物1的红外光谱研究 15
3.3化合物1的紫外可见光谱研究 15
3.4化合物1的XRD的测试分析 16
3.5化合物1的光电流分析 16
3.6化合物1的CV性质分析 18
3.7化合物1的ESR性质分析 19
4小结 20
参考文献 21
本科期间发表的论文 24
致 谢 24
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
1前言
1.1引言
人类社会的每一次重大进步的同时都伴随着能源的改进或更替。换而言之，对化石原料的不同开发利用都极大地推进了人类经济和人文的发展。从历史的长河来看，人类社会的任何阶段也都离不开能源，这从发展史的角度验证了人类社会与化石原料密不可分的关系。但我们都知道所有的关系都是相辅相成、利弊齐驱的，人类依靠能源所取得的巨大成功也造就了能源枯竭的问题，而且随之而来的是非常严峻的环境问题，这让我们的生活受到了极为严重的威胁。如果我们再不加以控制，地球将会进入能源枯竭和环境恶化的可怕时代，到最后人类终将失去这个赖以生存的地球。面对这一发展难题，寻找新的能源来代替化石燃料将是决定人类社会兴衰存亡的最关键的一步。非常幸运的是，宇宙内就存在着一种可再生且储量丰富的新能源—太阳能，它提供给地球的能量功率大约是120000TW，相当于人类能量消耗功率的近7000倍[1]，面对如此丰厚的能源我们只需要利用其中的0.03% 左右就可以满足人类现阶段的所有活动需求[2]，从人类对太阳的认识来说，我们对太阳能的利用不受地域的限制，像我国的高原地带、山区边远地带等一切能源供给不足的地方来说都是一种福音，所以毫不夸张地说太阳能是最具前景的新能源。人类对太阳能最直接的利用方式之一就是光伏发电[3]。因此，研发廉价、稳定、高效的太阳能电池是人类在社会快速发展中至关重要的一步，对我们的子孙后代也意义非凡、影响深远[4]。
1.2 太阳能电池的发展历程
20世纪30年代末，俄罗斯的地质学家L.A.Perovski用自己的名字来定名在变质岩中发现的钙钛矿（CaTiO3），因此我们把具有相同CaTiO3晶体结构的这一系列化合物称为Perovskite结构[5]。据地质学家的研究报告显示，这种矿物质在自然界中存量丰富且开采容易，它们最典型的分子结构式是ABX3型。典型ABX3的钙钛矿中A代表着有机基团，想要通过改变有机基团以此来提高它的光电转换效率，解决它在空气中不稳定的问题。其中最经典的、发展最早的有机基团是甲胺阳离子，科研人员通过改变有机基团A合成了品种多样的太阳能电池，这些太阳能电池的禁带宽度和价带位置是受有机基团A的链长的影响，通过对它链长的调节可以改善晶体的表面形貌、优化其结晶性能；B就是类似于Pb2+这一类的金属离子，X就代表卤素阴离子(基本不包括F)[6]，B和X的不同对钙钛矿材料的光电性能有一定的影响的，通过改变B与X的比例来调整间带空隙以此来减少电池在工作时带来的损失[8]。钙钛矿的结构是立体的，它是以有机基团为中心，卤素阴离子在各个顶点的的立方八面体的空间结构，另外卤素银离子也处于以金属阳离子B为中心的各个角上形成正八面体的立体结构（如图1.1）[6,7]。在空间中这些八面体分别进行延伸，在一定的条件下能够形成了形状规则、排列整齐、表面光滑明亮的晶体材料。
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图1.1钙钛矿晶体结构（a）BX6八面体（b）AX12
1.2.1第一代太阳能电池：晶硅电池
19世纪80年代，半导体金属结的发现使得人类登上了光伏发电的历史舞台，有文献记载在半导体硒的表面涂上一层薄薄的金层，再通过一定的工艺就可以得到一个半导体的金属结，从严格意义上来说，它是人类在研究光伏发电历程中发现的第一块真正的太阳能电池[3]。紧接着在1930年，在固态Cu2O电池领域提出的“光伏效应”理论使人类对光伏电池有了新的认识[4]。1954年，贝尔实验室利用高温扩散掺杂工艺的方法对纯的晶体硅进行了锂掺杂，构建了注入型“pn”结，成功制备了第一块现代意义上的单晶硅电池，而且成功获得了4.5%的光电转化效率，其器件示意图如图1.2 (a)所示[9]。在接下来的研究过程中随着表面钝化技术的出现和发展，太阳能电池也从一开始的薄氧化层发展到了厚氧化层，光电效率也得到了提高[10]。日本的化学家Kaneka研究的单结非聚光单晶硅电池的光电转化效率更是达到27%[11]。与其他的光伏材料相比较而言，硅电池的优势在于器件在空气中能够稳定存在，材料安全无毒，广泛存在，对人和环境没有伤害，而且硅电池技术在人类的发展历史上是最早的，技术相对来说也比较成熟和完善。正是得益于这些优势，晶体硅太阳能电池占全球光伏市场的一大半，成为当时的支柱产业。晶体硅电池的器件结构多种多样，目前世界上流通的高效晶硅电池主要有以下几种：钝化发射极背场点接触电池，隧穿氧化钝化接触电池，指装交叉背面点接触电池，异质结电池和异质结背面点接触电池，其结构示意图分别如下图1.2 (b)一(f)所示[12]。后来受经济市场的影响，硅的价格大幅度上涨，这使晶硅电池的发展受到了限制，因为晶硅电池对原材料硅不仅需求量大，而且要求纯度要达到一定的标准。所以，晶硅电池最大的障碍之一就是成本太高，成本是制约和阻碍晶硅电池发展和大规模的产业化的主要因素。
目 录
1前言 1
1.1引言 1
1.2 太阳能电池的发展历程 1
1.2.1第一代太阳能电池：晶硅电池 2
1.2.2第二代太阳能电池：多元化合物薄膜太阳能池 3
1.2.3第三代太阳能电池：染料敏化太阳能电池 4
1.3有机无机杂化钙钛矿的概述 5
1.3.1有机无机杂化钙钛矿的研究背景 5
1.3.2有机无机杂化钙钛矿的工作原理 5
1.3.3有机无机杂化钙钛矿的制备方法 6
1.3.4有机无机杂化钙钛矿的发展趋势 7
1.4四硫富瓦烯的概述 7
1.5本课题研究的目的和意义 9
2实验部分 10
2.1实验的主要药品 10
2.2实验的主要仪器 10
2.3化合物的合成与收集 11
3结果与分析 13
3.1晶体结构的表征 13
3.2化合物1的红外光谱研究 15
3.3化合物1的紫外可见光谱研究 15
3.4化合物1的XRD的测试分析 16
3.5化合物1的光电流分析 16
3.6化合物1的CV性质分析 18
3.7化合物1的ESR性质分析 19
4小结 20
参考文献 21
本科期间发表的论文 24
致 谢 24
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
1前言
1.1引言
人类社会的每一次重大进步的同时都伴随着能源的改进或更替。换而言之，对化石原料的不同开发利用都极大地推进了人类经济和人文的发展。从历史的长河来看，人类社会的任何阶段也都离不开能源，这从发展史的角度验证了人类社会与化石原料密不可分的关系。但我们都知道所有的关系都是相辅相成、利弊齐驱的，人类依靠能源所取得的巨大成功也造就了能源枯竭的问题，而且随之而来的是非常严峻的环境问题，这让我们的生活受到了极为严重的威胁。如果我们再不加以控制，地球将会进入能源枯竭和环境恶化的可怕时代，到最后人类终将失去这个赖以生存的地球。面对这一发展难题，寻找新的能源来代替化石燃料将是决定人类社会兴衰存亡的最关键的一步。非常幸运的是，宇宙内就存在着一种可再生且储量丰富的新能源—太阳能，它提供给地球的能量功率大约是120000TW，相当于人类能量消耗功率的近7000倍[1]，面对如此丰厚的能源我们只需要利用其中的0.03% 左右就可以满足人类现阶段的所有活动需求[2]，从人类对太阳的认识来说，我们对太阳能的利用不受地域的限制，像我国的高原地带、山区边远地带等一切能源供给不足的地方来说都是一种福音，所以毫不夸张地说太阳能是最具前景的新能源。人类对太阳能最直接的利用方式之一就是光伏发电[3]。因此，研发廉价、稳定、高效的太阳能电池是人类在社会快速发展中至关重要的一步，对我们的子孙后代也意义非凡、影响深远[4]。
1.2 太阳能电池的发展历程
20世纪30年代末，俄罗斯的地质学家L.A.Perovski用自己的名字来定名在变质岩中发现的钙钛矿（CaTiO3），因此我们把具有相同CaTiO3晶体结构的这一系列化合物称为Perovskite结构[5]。据地质学家的研究报告显示，这种矿物质在自然界中存量丰富且开采容易，它们最典型的分子结构式是ABX3型。典型ABX3的钙钛矿中A代表着有机基团，想要通过改变有机基团以此来提高它的光电转换效率，解决它在空气中不稳定的问题。其中最经典的、发展最早的有机基团是甲胺阳离子，科研人员通过改变有机基团A合成了品种多样的太阳能电池，这些太阳能电池的禁带宽度和价带位置是受有机基团A的链长的影响，通过对它链长的调节可以改善晶体的表面形貌、优化其结晶性能；B就是类似于Pb2+这一类的金属离子，X就代表卤素阴离子(基本不包括F)[6]，B和X的不同对钙钛矿材料的光电性能有一定的影响的，通过改变B与X的比例来调整间带空隙以此来减少电池在工作时带来的损失[8]。钙钛矿的结构是立体的，它是以有机基团为中心，卤素阴离子在各个顶点的的立方八面体的空间结构，另外卤素银离子也处于以金属阳离子B为中心的各个角上形成正八面体的立体结构（如图1.1）[6,7]。在空间中这些八面体分别进行延伸，在一定的条件下能够形成了形状规则、排列整齐、表面光滑明亮的晶体材料。
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图1.1钙钛矿晶体结构（a）BX6八面体（b）AX12
1.2.1第一代太阳能电池：晶硅电池
19世纪80年代，半导体金属结的发现使得人类登上了光伏发电的历史舞台，有文献记载在半导体硒的表面涂上一层薄薄的金层，再通过一定的工艺就可以得到一个半导体的金属结，从严格意义上来说，它是人类在研究光伏发电历程中发现的第一块真正的太阳能电池[3]。紧接着在1930年，在固态Cu2O电池领域提出的“光伏效应”理论使人类对光伏电池有了新的认识[4]。1954年，贝尔实验室利用高温扩散掺杂工艺的方法对纯的晶体硅进行了锂掺杂，构建了注入型“pn”结，成功制备了第一块现代意义上的单晶硅电池，而且成功获得了4.5%的光电转化效率，其器件示意图如图1.2 (a)所示[9]。在接下来的研究过程中随着表面钝化技术的出现和发展，太阳能电池也从一开始的薄氧化层发展到了厚氧化层，光电效率也得到了提高[10]。日本的化学家Kaneka研究的单结非聚光单晶硅电池的光电转化效率更是达到27%[11]。与其他的光伏材料相比较而言，硅电池的优势在于器件在空气中能够稳定存在，材料安全无毒，广泛存在，对人和环境没有伤害，而且硅电池技术在人类的发展历史上是最早的，技术相对来说也比较成熟和完善。正是得益于这些优势，晶体硅太阳能电池占全球光伏市场的一大半，成为当时的支柱产业。晶体硅电池的器件结构多种多样，目前世界上流通的高效晶硅电池主要有以下几种：钝化发射极背场点接触电池，隧穿氧化钝化接触电池，指装交叉背面点接触电池，异质结电池和异质结背面点接触电池，其结构示意图分别如下图1.2 (b)一(f)所示[12]。后来受经济市场的影响，硅的价格大幅度上涨，这使晶硅电池的发展受到了限制，因为晶硅电池对原材料硅不仅需求量大，而且要求纯度要达到一定的标准。所以，晶硅电池最大的障碍之一就是成本太高，成本是制约和阻碍晶硅电池发展和大规模的产业化的主要因素。
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