基于有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料與器件熱電性能研究.pdf

1、熱電材料，是一類可實現(xiàn)溫差和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，已長期應(yīng)用于深空探測器、半導(dǎo)體制冷等領(lǐng)域。目前，有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料由于其易制備、高電導(dǎo)、低熱導(dǎo)、易于大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)勢已成為熱電材料研究的重點方向之一。近幾年，在太陽能領(lǐng)域非常熱門的有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料得到了人們的廣泛關(guān)注，這種材料不僅具有大的載流子遷移率，而且激子的束縛能非常低，在較低溫度下激子就容易分離成自由載流子，且已經(jīng)報道它的熱導(dǎo)率很低，理論上可實現(xiàn)很好的熱電性能。因此本

2、論文結(jié)合有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料合成方法，制備了多晶CH3NH3PbI3薄膜的熱電材料與器件和單晶CH3NH3PbBr3塊體的熱電材料與器件，分別用掃描開爾文探針力顯微鏡、紫外可見吸收光譜、X射線衍射分析等實驗方法表征分析了材料的各項參數(shù)，對其基本的熱電參數(shù)（包括塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等）進(jìn)行了分析研究，并且通過光激發(fā)和元素?fù)诫s等物理化學(xué)方法對鈣鈦礦材料的熱電性能進(jìn)行改進(jìn)，取得了一些成果，主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）制備了C

3、H3NH3PbBr3鈣鈦礦單晶材料，發(fā)現(xiàn)該材料在70℃溫度時熱導(dǎo)率最低只有0.45W/m·K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于絕大多數(shù)無機(jī)熱電材料，并且該CH3NH3PbBr3單晶的塞貝克系數(shù)具有各向異性，水平方向上的塞貝克系數(shù)比垂直方向上大一個數(shù)量級；制備了多晶CH3NH3PbI3薄膜材料，發(fā)現(xiàn)該材料在室溫區(qū)有一個晶相轉(zhuǎn)變點，在轉(zhuǎn)變點其塞貝克系數(shù)達(dá)到最大。不管單晶CH3NH3PbBr3還是多晶CH3NH3PbI3材料都具有很低的電導(dǎo)率，原因是兩種材料都具有較

4、大的禁帶寬度。
　　（2）使用光激發(fā)的手段改進(jìn)了多晶薄膜鈣鈦礦材料的熱電性能。光激發(fā)下電子的能量增加，提高了載流子濃度，而載流子的遷移率沒有發(fā)生改變，因此光激發(fā)同時提高了鈣鈦礦材料的塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率。此外，光激發(fā)不會改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，因此對材料的熱導(dǎo)率影響甚微。光激發(fā)使得鈣鈦礦材料ZT值有一個很大的提高，相比暗態(tài)下的ZT值提高了大約5個數(shù)量級。
　?。?）引入元素鉍（Bi）對多晶CH3NH3PbI3薄膜材料和單晶CH3N

5、H3PbBr3塊體材料進(jìn)行了體內(nèi)摻雜，材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了很大改變。摻雜后對CH3NH3PbI3薄膜塞貝克系數(shù)影響不大，對其電導(dǎo)率影響較大；Bi對單晶CH3NH3PbBr3的摻雜使得其塞貝克系數(shù)提高了1-2個數(shù)量級，當(dāng)Bi摻雜濃度為1％時，單晶的塞貝克系數(shù)達(dá)到最大。摻雜提高了鈣鈦礦薄膜和鈣鈦礦單晶的電導(dǎo)率，同時，由于雜質(zhì)元素的引入提高了聲子的散射，鈣鈦礦單晶的熱導(dǎo)率有一定的降低。5%濃度的Bi摻雜時，鈣鈦礦單晶的ZT值相比未摻雜的鈣鈦礦