论文总字数：21066字

摘 要

近年来，钙钛矿量子点因其具有优异的光电性能，成为了光电材料中的研究热点。全无机钙钛矿量子点（IPQDs）具有光吸收系数高、光致发光量子产率（PLQY）高、组成与尺寸可调、发射光谱窄、发射光谱可调等优点，目前广泛应用于发光二极管（LEDs）、太阳能电池等领域。

本文对近十年来有关IPQDs的研究进展进行了阐述，介绍并对比了几种不同的制备方法，分析了IPQDs在稳定性和铅的毒性两方面存在的问题，同时列举出了对应的解决办法。然后叙述了该材料在发光二极管、太阳能电池领域的应用情况。在最后，对实验室制备与表征IPQDs进行了设计。

关键词：全无机钙钛矿量子点 制备方法 稳定性 发光二极管 全无机钙钛矿太阳能电池

Abstract

In recent years, perovskite quantum dots have become a research focus in photoelectric materials because of their excellent photoelectric properties. All-inorganic perovskite quantum dots (IPQDs) have many advantages, such as high absorption coefficient, high PLQYs, adjustable composition and size, narrow emission spectrum, adjustable emission spectrum, etc.

This paper reviews the research progress of IPQDs in recent ten years, introduces and compares several different synthesis methods, analyzes the problems of IPQDs in stability and lead toxicity, and lists the corresponding solutions. Then the application of the material in the field of LED and solar cell is described. At last, the synthesis and characterization of IPQDs are designed.

Key words: all-inorganic perovskite quantum dots, synthesis, stability, led, all-inorganic perovskite solar cells

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本论文的目的与意义 2

第2章 IPQDs的制备方法 3

2.1高温注射法 3

2.2过饱和重结晶法 3

2.3微波合成法 4

2.4几种主要合成方法的比较 4

第3章 IPQDs的性质 6

3.1结构特点 6

3.2光学性质 6

第4章 IPQDs存在的问题及解决进展 8

4.1稳定性 8

4.1.1表面处理 8

4.1.2离子掺杂 8

4.1.3二氧化硅包覆 9

4.1.4多孔分子筛复合量子点 10

4.1.5X射线照射 11

4.2铅的毒性 11

第5章 IPQDs的应用 13

5.1太阳能电池 13

5.2 LED 15

第6章 IPQDs的制备与表征设计 18

6.1制备工艺 18

6.2实验原料和仪器 18

6.3测试仪器与表征 19

第7章 结论 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1引言

量子点是一种零维半导体材料，又被称作半导体纳米晶，其在三个维度上的尺寸都不大于对应的半导体材料的激子玻尔半径，即它的直径通常在2-20nm之间。量子点具有量子限域效应，这又被称为量子尺寸效应，是指当粒子的尺寸减小到一定值时，连续的能带结构就会变成离散的能级结构。表面效应是指粒子表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而迅速增大。此外，量子点还具有介电限域效应和量子隧道效应等。上述这些效应使得量子点材料与大块材料的性质差异很大，在光电领域展现出很大的潜力。

1.2国内外研究现状

钙钛矿量子点具有生产成本低、光电性质优异的特点，逐渐赶超着传统半导体量子点在光电领域的地位。2009年，Kojima等人首次将制备出的有机-无机杂化铅卤钙钛矿量子点CH₃NH₃PbI₃应用于太阳能电池，获得了3.81%的光电转化效率^[1]，尽管光电转换效率很低，但该课题组创新地提出了一种新型太阳能电池材料，引发了研究者的兴趣，在接下来几年的时间内，通过掺杂、调整带隙等手段，基于钙钛矿量子点的太阳能电池不断发展，光电转换效率已可达23%，超过了硅基太阳能电池光电转换效率的提升速度。另外，为解决有机-无机杂化钙钛矿量子点的稳定性问题，研究者也尝试用全无机钙钛矿量子点制备太阳能电池，2015年，Snaith等人首次制备了基于CsPbI₃量子点组成的太阳能电池，去除了原有的有机组成部分后，太阳能电池的热稳定性得到了显著的提高^[2]。

国内的研究者也密切关注钙钛矿量子点的应用进展。Jin等人首次报道了全无机钙钛矿（CsPbBr₃）太阳能电池的制备与性能，其光电转换效率为6.7%，稳定性得到较大的提升，随后，他们通过掺杂，在进一步提高稳定性的同时，光电转换效率也达到11%^[3]，取得了很大的进步。目前，基于全无机钙钛矿量子点的太阳能电池在光电转换效率上不如杂化钙钛矿，但因其在稳定性方面的优势，得到了很多研究者的关注，在未来势必会有新的突破。在LED应用上，Wu等人首次报道了基于利用过饱和重结晶法制备CsPbX₃量子点构成的发光二极管，其外量子效率很低，表现出的光电性能还不够令人满意。研究者们在实践过程中，发现了许多提高发光二极管性能的方法：改进量子点合成方法、进行表面钝化、改善LED结构等。

除了上述提到的钙钛矿量子点材料在太阳能电池、LED领域的进展迅速之外，近年来国内外关于钙钛矿量子点制备方法改进、稳定性提升等方面等也都有非常多的研究，取得一系列的进步，对此，在正文部分再做详细的叙述。

1.3本论文的目的与意义

钙钛矿量子点因其表现出的优异光电性能，成为研究者关注的重点，研究者将钙钛矿量子点应用于太阳能电池、LED、激光、显示器、光电探测器等领域，制得的大多数光电器件都表现出良好的工作性能，加上研究的推进，为今后钙钛矿量子点材料取代传统发光材料、实现钙钛矿量子点发光材料规模化生产起到了促进作用。

钙钛矿量子点无疑是当今极具发展潜力的光电材料，但仍然面临着两大主要问题：稳定性和铅的毒性。由于量子点的尺寸在纳米级别，比起大块材料，其表面缺陷非常多，导致表面活性非常高，这影响了量子点的稳定性，从而影响基于量子点制得的器件的使用性能，目前的研究表明，表面处理、离子掺杂等都可以提高其稳定性。第二是铅的毒性影响着量子点的大规模应用，于是研究者也朝着制备无铅钙钛矿量子点方向探索。

本文叙述了目前全无机钙钛矿量子点材料主要的合成方法，对其中原理做了详细分析，并对比了各种合成方法的利弊。另外，还着重介绍了为解决钙钛矿量子点两大主要问题研究者所作出的探索与取得的进展，多种方法已经被证实可以显著提高钙钛矿量子点材料的稳定性、降低铅毒性的影响。综上，本文对合成方法与解决两大问题的叙述与分析，对今后研究全无机钙钛矿量子点起着总结性的作用，揭示了今后评价合成方法是否足够好、提升量子点稳定性方法等是否足够好的标准。

第2章 IPQDs的制备方法

2.1高温注射法

高温注射法是目前制备IPQDs的主要方法。Protesescu等人首次报道了高温合成IPQDs的方法，这种方法很好地利用了化学键的离子性，将高沸点溶剂（如十八碳烯）加热至140-200℃的高温，在溶剂中加入1：1的油胺与油酸混合物，从而溶解PbX₂并稳定纳米晶胶体，通过油酸铯与卤化铅反应，可以使Cs ,Pb² 和X^-离子生成CsPbX₃纳米晶。这个过程发生了离子复分解反应，且晶体的成核与生长十分迅速，在探测中发现大多数的纳米晶在最初的1-3s内就完成了晶体生长，且越重的卤化物，这个晶体生长的过程就更加迅速，这么短的反应时间，说明难以通过调节反应时间来控制纳米晶尺寸，相比之下，调节反应温度来控制纳米晶的尺寸是更有效的方法，该课题组通过控制反应温度，得到了尺寸在在4-15nm内的产品。此制备方法要求在无氧无空气的条件下进行，要想获得不同组成的纳米晶，只需调节PbX₂中X的成分，可以是单一卤素，也可以是卤素的混合配比，但由于Cl和I原子半径相差较大，想要制得Cl/I型混合物并不容易。另外，这种方法的重复性比较差，注射油酸铯前驱体速度的快慢和终止反应是否及时都会影响纳米晶的成核与生长，总的来说，合成工艺较为复杂^[4、5]。

2.2过饱和重结晶法

Wu等人报道了室温过饱和重结晶法（SR）^[6]，此法无需惰性气体保护和高温条件，操作也相对简单一些，以CsPbBr₃量子点的合成为例，步骤如下：将等量的PbBr₂和CsBr溶于二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜中，再加入少量配体成分油酸和油胺以稳定前体溶液，在剧烈的搅拌下，将前体溶液迅速加到甲苯当中，就可以得到发射绿光的纳米晶。同理，改变PbX₂和CsX中的成分可以得到其他类型的纳米晶，发出不同的颜色。此法的原理是：将各种无机离子从溶解性非常好的溶剂转移到溶解性非常差的溶剂当中。需要注意的是，在实验过程中要保证各种无机离子能够完全溶解到二甲基甲酰胺中，但配料的离子浓度要大于在甲苯中的溶解度，二甲基甲酰胺和甲苯又是互溶的，转移溶液即达到高度过饱和态，在搅拌之下，就可以发生快速再结晶。整个过程可以由以下（2.1）方程表示，实验原理和结果如图2.1所示。此法制得的产品的特性与高温法制得的相近甚至有所超越，加上反应条件更简单，这种方法为未来进行工业化生产提供了可能。

Cs Pb² 3X^-→CsPbX₃ (2.1)

图2.1室温下SR法原理与结果图

（a）SR法可在室温环境下通过将Cs 、Pb² 和X^-离子从可溶性溶剂转移到不溶性溶剂在10s内完成，无需保护气体和加热；（b）紫外线下清除甲苯；（c-f）前驱体离子溶液加入四种典型样品后的快照，c显示蓝光，对应Cl:Br = 1；d显示绿光，对应纯Br;e显示黄光，对应I:Br = 1；f显示红光，对应I:Br = 1.5

2.3微波合成法

Long课题组在研究IPQDs的制备当中指出^[7]，高温热注射法是制备纳米晶最常用的方法，但是由于是在高温条件下进行，热梯度导致结晶的速度非常快也不易控制，所以成核效果的比较差，得到的最终产品尺寸分布范围会比较宽，室温过饱和重结晶法使得反应环境更温和，但前体的制备过程又比较繁琐，并且在已有实验中发现制得的纳米晶形貌及晶体结晶度上也相对较差。该课题组报道了微波合成制备IPQDs的方法，相比高温热注射法，用微波作为反应的能量来源，可以实现对整体的均匀加热，从而控制了结晶的速率。具体步骤如下：将1-十八烯、油酸、油胺、PbX₂和Cs₂CO₃组成的非均相固液混合物加入玻璃容器中，在放入微波炉中，再静态微波辐射下，固态前驱体在液-固界面处溶解，同时CsPbX₃成核并生成晶种，随后晶体进一步长大，约4分钟就可以合成CsPbX₃钙钛矿纳米晶，停止微波辐射后，就可以在容器底部得到产物。此法的优点是设备简单，时间短，但存在量子点粒径分布不均，并且可控性比较差的缺点。

2.4几种主要合成方法的比较

此外，制备方法还有阴离子交换法^[8]、溶剂热法^[9]等，各种方法都有对应的优缺点，对比情况如表2.1所示。

表2.1 几种主要制备方法的对比

方法	优点	缺点
热注射法	1.目前最常用、最成熟的方法，且以此为基础有许多改进方法 请支付后下载全文，论文总字数：21066字 相关图片展示： 您需要先支付 80元 才能查看全部内容！立即支付 ﰊ PREVIOUS NEXT ﰋ 您可能感兴趣的文章 蒸养纤维掺杂高铁低钙水泥混凝土的抗海水冲磨性能研究文献综述 TIPA对水泥-锂渣体系力学性能和水化性能的影响外文翻译资料 TEA对锂渣-水泥复合粘结剂流变性能及水化性能的影响外文翻译资料 硫酸铝无碱液体促进剂的效果研究烷醇胺对硅酸盐水泥水化过程的影响外文翻译资料 新型C-A-S-H/PCE纳米复合材料：设计表征和对水泥水化的影响外文翻译资料 工业中碳捕获技术以及以水泥回转窑作为核心的吸附再生器外文翻译资料 Ca/Al层状双氢氧化物的制备及其结构对水泥早期强度的影响外文翻译资料 蒸汽养护后混凝土养护方法对混凝土机械强度和透气性的影响外文翻译资料 含白云石或石灰石的偏高岭土水泥在相组成与抗压强度的异同外文翻译资料 与硅质铁尾矿结合的混凝土的耐久性外文翻译资料 最新文档 华北地区夏季降水多年、少年近地层水汽场及风场分布特征开题报告 天山地区典型流域降雪分布研究文献综述 2016年台风狮子山路径突变原因的初步分析开题报告 北京和寿县地区边界层急流观测与模型的对比文献综述 具有双Kelvin波结构MJO活动的再分析开题报告 基于单片机的温控风扇设计文献综述 1961-2015年江苏省气候资源的时空分布规律开题报告 智能搬运机器人文献综述 基于类型的电影推荐系统文献综述 Bi6S2O15的合成及其降解有机污染的研究开题报告 不确定时滞奇异摄动系统的鲁棒控制器设计文献综述 小型双模SIW滤波器的研究与设计开题报告 我国绿色出行政策执行研究——以南京市为例文献综述 试论李碧华小说中的爱情悲剧开题报告 基于FPGA的电子相册设计文献综述 企业微信 推荐栏目 本站简介 人才招聘 版权声明 免责声明 毕业论文网 教育 科研 学术文档分享平台 专注服务十二年 可信/实名双认证 老牌网站值得信赖 Copyright © 2010-2022 毕业论文网 站点地图  企业微信 