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面向光伏应用的无铅铁电有机-无机杂化钙钛矿薄膜研究

铁电光伏；禁带宽度；反溶剂；薄膜质量；极化

铁电光伏作为铁电与光伏的交叉学科，近年来受到研究者们的广泛关注。其原因是可以通过外加电压极化创建一个额外的电场，该电场强度比传统光伏器件内部的PN结所产生内建电场的强度高了一到两个数量级，且能够贯穿整个铁电材料。然而，典型钙钛矿结构的无机铁电材料带隙过宽，难以与太阳光谱相匹配；而窄带隙的有机-无机杂化钙钛矿材料甲胺铅碘的铁电性不明显，且其中的铅元素会对环境造成污染。

因此，本论文中使用一种有机-无机杂化分子铁电材料1，6-己二胺五碘化铋（[C₆N₂H₁₈]BiI₅）作为光吸收层，其具有良好的铁电性和分子铁电体最窄带隙，可吸收380 nm至660 nm范围内的可见光。该铁电材料的能带结构与大多数空穴传输层更为匹配，因此选择倒置结构更有利于空穴的输运，减少电荷在界面处的积累。基于此，本论文通过蒸发结晶法制备了铁电材料，通过材料混合和反溶剂工艺对薄膜进行优化，随后制作了倒置结构的光伏器件，探究极化对器件性能的影响，主要研究内容如下：

介绍了有机-无机杂化材料[C₆N₂H₁₈]BiI₅以及与Bi同族元素Sb的化合物[C₆N₂H₁₈]SbI₅，包括粉末合成、薄膜制备、晶体结构、元素分析、形貌以及光物理性质，并计算了两者的带隙和能带结构。研究结果发现多组分混合薄膜的吸收光谱相对原始材料发生红移，这表明禁带宽度减小，可吸收更大范围的可见光。当混合比例为0.4：0.6和0.5：0.5时，薄膜质量最高。

采用反溶剂工程对铁电薄膜的制备工艺进行优化，分别从反溶剂的滴加时间和滴加量出发，寻找合适有机-无机杂化材料[C₆N₂H₁₈]BiI₅的最佳优化方案。研究结果表明在旋涂第二阶段第10秒滴加40 μL的氯苯，对薄膜的优化效果最好。

对该材料的铁电性进行证明，比较不同空穴输运层对铁电薄膜以及光伏器件的影响，对器件进行极化前和极化后的性能测试。实验结果证明[C₆N₂H₁₈]BiI₅具有良好的铁电性，NiO_x更适合作为该器件的空穴传输层。极化使倒置结构的光伏器件性能有了明显改善，当极化电压为1.2 V时，器件的短路电流密度（J_sc）达到了1.64 mA/cm²，光电转换效率（PCE）为0.113%，相比于未极化器件有了大幅度提升。