本书共分为5章。第一章是钙钛矿光伏器件概述，主要介绍钙钛矿材料在光伏领域的起源、分类与发展，以及碳电极钙钛矿光伏器件的优势。第二章是有机-无机杂化碳电极钙钛矿光伏电池，主要介绍了光阳极离子掺杂、界面修饰等手段来提升有机-无机杂化碳电极钙钛矿光伏电池的光电转化效率。第三章是全无机碳电极钙钛矿光伏电池，主要介绍了全无机钙钛矿CsPbBr3材料的可控制备方法及其在光伏领域的应用。第四章是碳电极钙钛矿光伏器件封装与集成，主要包括PDMS封装、光解水制氢集成、超级电容器集成与热电模块集成。第五章是钙钛矿材料在其它光电子器件中的探索与应用，主要包括光电探测、忆阻器与感存算技术等。
本书内容是作者所在课题组在*创新团队微纳制造与纳米测量技术、国家重点研发计划高效稳定大面积钙钛矿太阳电池关键技术及成套技术研发、国家自然科学基金基于钙钛矿的高效微能源器件可控制备研究仿生微纳制造与应用研究染料敏化太阳能电池光阳极结构的仿生设计与可控制备面向图像传感的超高速自驱动柔性钙钛矿光电探测器可控制备研究等项目支持下的研究成果结晶。
自20世纪以来，以半导体为基础的光电子器件（如太阳能电池、光电探测器、发光二极管及半导体激光器等）的开发与应用引发了新一轮产业革命，也极大地改变了人们的生产和生活方式。随着社会经济的迅速发展和人们生活水平的不断提高，人们对半导体光电子器件的需求日益多样化。目前，商用光电子器件广泛使用的晶硅（Si）、碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）等传统半导体材料通常由高温电炉反应、分子束外延或有机金属化学气相沉积等复杂工艺制成，这些工艺对半导体薄膜纯度和生产设备要求极高，能耗和生产成本也居高不下。此外，高温工艺还限制了传统光电子器件的柔性化制备和在柔性可穿戴电子产品中的应用。因此，开发低成本、易低温制备和高性能新型半导体材料对光电子器件的发展具有重要意义。2009年，有机无机金属杂化钙钛矿用作光吸收材料被应用到光伏器件中，展现出优异的光学与电学性能，拉开了钙钛矿光伏器件研究的序幕。一般来说，把和CaTiO3构型相同的晶体叫作钙钛矿，其结构通式为ABX3。对于有机无机杂化钙钛矿来说，A位一般是有机阳离子（CH3NH 3或NH2CHNH 2），B位是金属离子（Pb2 、Sn2 、Eu2 等），X位则通常是卤素阴离子（I-、Br-等）。得益于钙钛矿半导体出色的光电特性（包括光吸收系数和缺陷容忍度高、激子结合能与表面复合率低、载流子传输距离和载流子寿命长、双极性载流子传输与禁带可调等）及材料改性、缺陷钝化、界面工程及溶剂工程等技术的不断进步，短短数年，杂化钙钛矿太阳能电池的认证光电转化效率从*初的3.8%提高至25.7%，超过了商业化多晶硅太阳能电池以及铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉薄膜太阳能电池效率，正逐接近单晶硅太阳能电池效率并有望达到硅基的ShockleyQueisser理论极限，而且其原材料用量仅为晶硅的1/1000，成本不到晶硅组件的50%，是一种颠覆性很强的新型光伏材料，给人类应对能源危机提供了新机遇。随着2030年前实现碳达峰和2060年前实现碳中和这双重目标的构建，世界能源多元化、清洁化、低碳化趋势进一步加强，能源和资源版图正在发生深刻变化，越来越多的国家都在朝着清洁、低碳能源的方向发展。《2022中国战略性新兴产业发展报告》将钙钛矿太阳能电池技术列为能源新技术产业发展的关键技术与重点任务。《中国工程科技2035发展战略》指出，钙钛矿太阳能电池的基础研究与产业化关键技术研发是可再生能源工程科技发展的重要任务。钙钛矿半导体材料在光伏器件领域取得的巨大成功，再加上钙钛矿薄膜易于低温制备（如旋涂、刮涂、滴涂与喷墨打印等）的特点，极大地鼓舞了研究者们将这种梦幻材料应用到其他各类型光电子器件的研发中，并已经取得了一系列成果。十几年来，钙钛矿光电子器件方面的研究不断取得进展，100余篇高水平论文发表于国际一流学术刊物Science和Nature，并被Science期刊评为2013年度十大科学进展之一，这也充分体现了钙钛矿光电子器件的研究热度和该领域的前沿性。引入碳电极后，钙钛矿光伏器件制造成本进一步大幅降低，器件的稳定性大大提高，使碳电极钙钛矿器件成为具有广阔发展前景的光伏技术之一。然而，器件在制造过程中涉及多种光电材料的宏微纳跨尺度结构的精确形成与功能界面优化，材料相变、晶化等行为复杂，功能结构本征缺陷密度高，界面能级失配严重，光生载流子输运受阻，且环境因素（湿、热、光等）仍会对钙钛矿材料造成不可逆的损伤等问题，这些问题严重制约了器件效率和稳定性的提升，急需突破。本书内容是作者所在课题组在*创新团队微纳制造与纳米测量技术、国家重点研发计划高效稳定大面积钙钛矿太阳电池关键技术及成套技术研发、国家自然科学基金基于钙钛矿的高效微能源器件可控制备研究仿生微纳制造与应用研究染料敏化太阳能电池光阳极结构的仿生设计与可控制备面向图像传感的超高速自驱动柔性钙钛矿光电探测器可控制备研究等项目支持下的研究成果，包含了课题组许多已毕业的博士、硕士合作者所做的工作，大部分来自与他们合作发表的论文。他们是笔者和廖广兰教授的研究生，包括刘智勇博士、刘星月博士、孙博博士、叶海波博士、韩京辉博士、涂玉雪硕士等。在此，向他们表示衷心的感谢和崇高的敬意！由于钙钛矿光电子器件一直是光伏与光电子领域的研究重点和热点，涉及的学科多、发展快，加上作者水平有限，在取材和论述方面难免存在不足与疏漏之处，恳请广大读者批评指正。史铁林2022年11月7日于喻家山
史铁林（Shi Tielin，Professor），1964年1月出生，中共党员，博士，教授，博士生导师，*长江特聘教授，曾任机械学院党委书记。1985年本科、1988年硕士毕业于西安交通大学，1991年博士毕业于华中理工大学，1993年博士后出站，进入华中科技大学（原华中理工大学）工作。现任中国振动工程学会常务理事，中国振动工程学会动态信号分析专业委员会主任委员，中国振动工程学会故障诊断专业委员会副主任委员，中国微米纳米技术学会理事，《Frontiers of Mechanical Engineering》副主编、《机械工程学报》、《振动工程学报》、《中国机械工程》、《中国工程机械学报》、《振动与冲击》、《振动测试与诊断》等杂志编委。先后获国家*科技进步二等奖（应用类），国家*科技进步一等奖（理论类），机械工业部科技进步一等奖，国家科技进步三等奖，中国青年科技奖，全国优秀博士后、湖北省五四青年奖章、中国机械工程学会杰出青年科技奖、首批新世纪百千万人才工程*人选等荣誉称号等。
第1章概述/1
1.1引言/1
1.1.1能源危机/1
1.1.2新能源需求/2
1.1.3太阳能的利用/4
1.2光伏电池的分类/5
1.2.1硅基光伏电池/5
1.2.2化合物半导体薄膜光伏电池/7
1.2.3有机聚合物薄膜光伏电池/9
1.2.4染料敏化光伏电池/9
1.2.5有机无机杂化钙钛矿光伏电池/10
1.3钙钛矿光伏电池介绍/11
1.3.1钙钛矿材料的特性及电池的工作原理/11
1.3.2钙钛矿光伏电池的发展历程/13
1.3.3钙钛矿光伏电池的组成结构/15
1.3.4钙钛矿光伏电池的评价体系/16
1.4碳电极钙钛矿光伏电池的介绍/18
1.4.1碳电极钙钛矿光伏电池的起源/18
1.4.2碳电极钙钛矿光伏电池的分类与发展/18
参考文献/20
第2章有机无机杂化碳电极钙钛矿光伏电池/27
2.1无空穴传输层有机无机杂化碳电极钙钛矿光伏电池/27
2.1.1器件制备/27
2.1.2电池结构形貌表征/29
2.1.3器件光伏特性分析/32
2.1.4小结/37
2.2基于镍掺杂氧化钛电子传输层的碳电极钙钛矿光伏电池/38
2.2.1器件制备/39
2.2.2薄膜表征/40
2.2.3器件光伏特性分析/44
2.2.4器件稳定性测试/49
2.2.5小结/49
2.3基于锌掺杂氧化锡电子传输层的碳电极钙钛矿光伏电池/52
2.3.1器件制备/52
2.3.2薄膜表征/53
2.3.3器件光伏特性分析/56
2.3.4性能提升机理研究/56
2.3.5器件模块化制备与可靠性评估/61
2.3.6小结/63
2.4基于硫化镉电子传输层的全低温碳电极钙钛矿光伏电池/63
2.4.1器件制备/64
2.4.2形貌表征与光电特性分析/64
2.4.3光电特性提升研究/68
2.4.4柔性器件研发/71
2.4.5小结/71
参考文献/73
第3章全无机碳电极钙钛矿光伏电池/83
3.1基于酞菁铜空穴传输层的全无机钙钛矿光伏电池/83
3.1.1器件制备/83
3.1.2结构形貌表征/84
3.1.3器件光伏特性分析/88
3.1.4小结/92
3.2基于连续蒸发工艺的全无机钙钛矿光伏电池/93
3.2.1器件制备/95
3.2.2薄膜表征/96
3.2.3器件光伏特性分析/103
3.2.4小结/107
3.3基于多步旋涂法的全无机钙钛矿光伏电池/108
3.3.1器件制备/108
3.3.2薄膜形貌表征/110
3.3.3器件光伏特性分析/112
3.3.4复合电子传输层形貌表征/114
3.3.5复合电子传输层器件光伏特性分析/116
3.3.6小结/120
3.4基于反溶剂法的全无机钙钛矿光伏电池/122
3.4.1器件制备/122
3.4.2薄膜表征/123
3.4.3器件光伏特性分析/130
3.4.4小结/135
3.5基于碱金属离子掺杂的双卤素全无机钙钛矿光伏电池/136
3.5.1器件制备/137
3.5.2薄膜形貌表征/137
3.5.3器件光伏特性分析/141
3.5.4小结/148
参考文献/148
第4章碳电极钙钛矿光伏器件封装与集成/159
4.1碳电极钙钛矿光伏电池PDMS封装/159
4.1.1基于PDMS的电池封装工艺研究/159
4.1.2封装电池性能测试与分析/160
4.1.2小结/170
4.2碳电极钙钛矿光伏电池与光解水制氢集成/171
4.2.1集成器件的制备/172
4.2.2集成器件的性能测试/174
4.1.2小结/177
4.3碳电极钙钛矿光伏电池与超级电容器集成/177
4.3.1器件制备/178
4.3.2钙钛矿光伏电池的表征及性能特点/179
4.3.3超级电容器的表征及性能特点/179
4.3.4集成能量包的表征及性能特点/184
4.3.5小结/187
4.4碳电极钙钛矿光伏电池与热电模块集成/188
4.4.1环境温度对钙钛矿电池性能的影响/189
4.4.2集成器件制备/191
4.4.3集成器件性能表征/193
4.4.4小结/197
参考文献/198
第5章钙钛矿材料在其他光电子器件中的应用/206
5.1柔性钙钛矿/硫化钼复合薄膜光电探测器/206
5.1.1器件制备/206
5.1.2器件性能表征/207
5.1.3小结/214
5.2基于铜离子掺杂的无空穴传输层自驱动钙钛矿光电探测器/216
5.2.1器件制备/217
5.2.2形貌表征/217
5.2.3性能测试/219
5.2.4光通信应用/225
5.2.5小结/227
5.3CsPbBr3光电探测器阵列制备与性能调控/229
5.3.1器件制备/230
5.3.2CuPc与CsPbBr3薄膜表征/231
5.3.3CsPbBr3光电探测器性能分析/231
5.3.4MoO3界面层对器件性能的影响研究/236
5.3.5MoO3层对界面电荷传输与复合的影响研究/241
5.3.6光电探测器阵列在成像领域的应用探索/243
5.3.7小结/245
5.4无机非铅AgBiI4钙钛矿柔性忆阻器/247
5.4.1器件制备/247
5.4.2结构形貌表征/248
5.4.3阻变特性分析/252
5.4.4阻变机理分析/254
5.4.5AgBiI4忆阻神经突触特性模拟/257
5.4.6触觉感存算技术研究/267
5.4.7小结/274
5.5无机非铅Cs2AgBiBr6钙钛矿光电忆阻器及视觉感存算技术研究/275
5.5.1器件制备/276
5.5.2结构形貌表征及阻变特性分析/278
5.5.3钙钛矿光电忆阻器阻变机理研究/284
5.5.4钙钛矿光电忆阻器1D1R阵列研究/289
5.5.5钙钛矿光电忆阻器视觉感存算一体化研究/293
5.5.6全光控自供能功能研究/297
5.5.7小结/303
参考文献/303
附录/318
附录A试验用主要化学试剂与耗材列表/318
附录B试验用主要仪器设备列表/322
附录C史铁林、廖广兰教授研究组于20162023年在钙钛矿光电子领域发表的期刊论文/324
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