[發明專利]一種利用三元混合溶劑生長大尺寸鈣鈦礦單晶的方法

在審

• 申請號: 202010181819.8
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111286779A
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 丁建旭;程曉華;李正宵;張杰;姚青;王開宇;袁野
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: C30B7/14
• 分類號: C30B7/14;C30B29/12
• 代理公司: 北京盛凡智榮知識產權代理有限公司 11616
• 代理人: 胡文強

本發明提供一種采用三元混合溶劑生長一種純無機、大尺寸、含碘的光學帶隙可調諧CsPbI_xBr_3?x鈣鈦礦單晶的方法。該方法利用CsPbI_xBr_3?x在三元溶劑中的逆溫度溶解度特性，從三元溶劑形成的穩定溶液中生長大尺寸單晶。其方法為：將溴化鉛(PbBr₂)、碘化銫(CsI)按照摩爾比為1：1的比例，分別混合溶解于DMSO后，繼續滴加DMF和GBL兩種溶劑，得到三元混合溶劑所溶解的前驅體溶液。將該溶液密封后逐漸升溫至90℃下，利用逆溶解度原理，生長大尺寸的CsPbI_xBr_3?x鈣鈦礦單晶，其中x為I的摻雜含量，選自0～3中的任意數值；吸收光譜范圍為560?700nm。

技術領域

本發明涉及純無機、混合鹵素鈣鈦礦材料制備和晶體生長領域，具體涉及一種從三元混合溶劑中生長大尺寸含碘的CsPbI_xBr_3-x鈣鈦礦單晶的方法。

背景技術

首先，鈣鈦礦材料作為太陽能電池光吸收層的技術，吸收層對太陽光的吸收情況是決定光電轉換效率的重要因素。材料對太陽光的吸收主要利用其較寬的吸光范圍，能夠在更大程度上吸收光能，提高光照利用率，產生更大的電流密度，進而提高其利用在光伏器件上時的光電轉換效率。

其次，鈣鈦礦材料根據其物質組成可以分為有機-無機雜化鈣鈦礦和全無機鈣鈦礦。其中有機-無機雜化鈣鈦礦因為有機基團易揮發、易分解等問題，導致其本身的耐水，熱和化學的穩定性較差，嚴重影響器件的進一步發展。相比之下，全無機鈣鈦礦由于具備優異的穩定性成為了當前的研究熱點，尤其是CsPbI₃具備1.73eV的光學帶隙，非常適合應用于提高光伏器件的利用率。根據調研發現，CsPbBr₃能夠在常溫常壓下穩定存在，但是CsPbBr₃本身的帶隙較寬(2.3eV)，所以，為了拓展太陽光的利用，需要對CsPbBr₃的光學帶隙縮小、吸收拓寬的調控。因為Br和I同為鹵族元素，性質相似，CsPbBr₃中加入I元素，制備的不同I摻雜量的CsPbI_xBr_3-x可以在一定程度上避免CsPbI₃的相變和CsPbBr₃的寬帶隙等問題，滿足光伏器件對于材料帶隙和穩定性的要求。

再次，得益于鈣鈦礦薄膜成本低、易制備的特點，鈣鈦礦材料作為太陽能電池的光吸收層一般采用薄膜的形式。然而對于CsPbI_xBr_3-x，繼續采用傳統的薄膜形式將無法確定I是否進入晶格內部以及準確獲得材料中I與Br的具體化學計量比。因此，CsPbI_xBr_3-x單晶是保證獲得I進入晶格內部的最佳媒介，是研究CsPbI_xBr_3-x帶隙調控以及光學性質的基本條件。但是，CsPbI_xBr_3-x單晶的生長目前仍面臨著困難，比如需要強酸環境、高溫條件等。

因此，本發明提出一種簡單低溫溶液生長大尺寸混合鹵素CsPbI_xBr_3-x鈣鈦礦單晶的方法。一方面回避了從無機酸強腐蝕環境，另一方面也避開從高溫熔體中生長單晶的高溫條件；并且生長的大尺寸CsPbI_xBr_3-x單晶具備優異的穩定性以及較窄的光學帶隙，進而能夠作為鈣鈦礦太陽能電池的光吸收材料，提高光電轉換效率，對于純無機材料的發展以及在光伏器件中的應用尤為迫切，也具有極其重要的意義。

發明內容