稀土掺杂无机钙钛矿薄膜的光电性能调控与器件应用.pdf

摘要

钙钛矿材料由于其带隙可调，制备工艺简单，成本低廉以及光电性质良好等

优点，近年来被认为是极有潜力的新型光电材料。其中，基于有机无机杂化钙钛

矿的太阳能电池的光电转换效率短短十年就由3.8%提升到了25.73%。但是，有

机无机杂化钙钛矿中的有机组分易挥发，同时水稳定性较差，使得器件的稳定性

较差。相较于有机无机杂化钙钛矿材料，全无机钙钛矿材料拥有更优异的稳定性，

因此更有希望将钙钛矿材料带向商业化。全无机钙钛矿材料也同样拥有较高的载

流子迁移率和较长的载流子寿命，近年来在光电器件领域的研究引起越来越多的

关注。基于CsPbI全无机钙钛矿的太阳能电池光电转换效率已经接近了20%，

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基于CsPbBr的绿光发光二极管（LED）的外量子效率（EQE）达到了28.9%。

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全无机钙钛矿薄膜更是用于光电探测器的理想材料，其稳定性能提高光电探测器

在军事、环境检测、医疗以及航天领域的使用寿命。但是，溶液法制备的全无机

钙钛矿薄膜的结晶度较差，缺陷态较多，因此非辐射复合较强，也影响了其器件

性能。目前研究人员尝试了多种方法来减少薄膜内缺陷：如使用有机添加剂、量

子点、钝化剂等。但以上方法对薄膜质量提升有限，残留的组分还会降低器件使

nn-1

用寿命。镧系稀土离子由于其丰富的4f或4f5d电子组态，因而产生了独特的

光学性质，在发光材料中常用作敏化剂，还可通过量子剪裁效应提高薄膜光致发

3+2+

光效率。镧系元素（Ln）离子具有与铅（Pb）相似的离子半径，因此也是替

2+3+3+3+

代铅卤钙钛矿Pb的理想元素。目前为止，铕（Eu）、镱（Yb）、铈（Ce）、

3+3+3+

钐（Sm）、铒（Er）已经被证明可以提高钙钛矿纳米晶的发光能力，铈（Ce）、

3+3+

钕（Nd）、铒（Er）被证明可以改善有机无机杂化钙钛矿材料的结晶性。但

很少有系统地探究镧系稀土离子掺杂无机钙钛矿薄膜的工作，基于以上问题我们

做出了如下研究：

（1）对比CsPbI薄膜和CsPbIBr薄膜，证明了Br的引入可以提高容忍因

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子从而提升薄膜稳定性。然后对薄膜制备工艺进行优化，使用DMSO对PbI和

2

PbBr进行预处理，可以减少薄膜内孔洞并提高成膜质量，改良后薄膜粗糙度减

2

小为1.38nm。同时，薄膜展现了更加优异的导电性和日常条件下的稳定性。

I

3+3+3+3+3+3+3+3+

（2）使用镧系稀土离子Ln（LnPr、Gd、Nd、Eu、Tm、Ho

3+

和Yb）掺杂CsPbIBr薄膜，结果显示晶粒尺寸从约110nm提升到400nm左

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右，同时薄膜的质量更好，孔洞更少。掺杂后的薄膜在300-700nm波长范围内

-4-1

吸收光能力更强，薄膜电导率最高提升到7.81×10Scm，电子和空穴缺陷态密

16-316-3

度最多降低为4