[發明專利]一種摻雜金屬元素提高無機無鉛CsSnI3

在審

• 申請號: 202110546449.8
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113372012A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 隋曼齡;田博海;盧岳;胡敬聰;張澤宇
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C03C17/22
• 分類號: C03C17/22;C01G19/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明提供了一種摻雜金屬元素提高無機無鉛CsSnI3鈣鈦礦穩定性的方法，該方法利用Goldschmidt容忍因子公式：t＝(r(A)+r(X))/√2(r(B)+r(X))來調節CsSbI₃鈣鈦礦結構的穩定性，其中r(A)、r(B)、r(X)分別為A、B、X三種離子的半徑。要形成穩定的鈣鈦礦結構，容忍因子取值范圍應為0.81t1.11。因此利用小離子半徑的金屬離子摻雜從而改變CsSnI₃鈣鈦礦晶胞參數，進而改善鈣鈦礦材料性能。本發明成本低廉、效果顯著，適用于制備高質量高穩定性鈣鈦礦材料并具備工業化生產潛質，所得到的鈣鈦礦材料可以應用于鈣鈦礦太陽能電池、發光二極管、微傳感器件、激光器、光電探測器、光敏二極管、薄膜晶體管等光電、鐵電、壓電功能器件領域。

技術領域

本發明屬于光電材料與器件領域，具體涉及一種通過微量摻雜金屬元素來提高無機無鉛CsSnI₃鈣鈦礦穩定性的方法。

背景技術

隨著科技、經濟以及社會的不斷進步，人類對于能源的需求不斷增加，能源與環境這個領域也不斷吸引廣大研究者的關注。目前就我國的能源結構而言，任然是以煤、炭、石油等化石燃料為主，這并不利于國家的經濟發展以及能源與環境的可持續發展。為了解決目前的能源與環境危機，人們開始越發重視清潔能源例如：太陽能、風能、海洋能、地熱能的開發和利用。近年來，太陽能取之不盡用之不竭的巨大能量儲存引起了廣大研究人員的研究興趣，光伏產業的不斷發展與進步，太陽能電池的轉換效率也得到不斷地提升，制備成本不斷降低，光伏發電技術已經實現了部分商業化應用，尤其在交通、通訊、汽車、航天、海水淡化等領域都占據十分重要的地位。鈣鈦礦太陽能電池成本低廉，制備工藝簡單。早在1958年，對無機鈣鈦礦CsPbX3的研究首先證明了金屬鹵化物鈣鈦礦不同尋常的光致電導性，X為負一價的鹵素離子(Cl、Br或I)。1978年Weber課題組首先對有機-無機雜化鈣鈦礦進行研究發現其具有優良的光電性質。2009年Miyasaka課題組使用TiO2的介孔結構，發表了第一篇有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦這種材料在太陽能電池領域應用的研究論文。從此以后，有機無機雜化鈣鈦礦走進了人們的研究鄰域，近十幾年國際上的快速發展使得有機無機雜化鈣鈦礦在效率以及穩定性等方面得到了飛躍式的提升。2012年，基于CH3NH3PbI3的鉛基有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池已經實現了10％的光電轉換效率。到2020年，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經超過25％，目前已然可以和市面上的硅以及碲化鎘太陽能電池相互比擬。但目前典型的高性能鈣鈦礦太陽能電池使用的是Pb基有機無機雜化鈣鈦礦作為光吸收層，如甲銨鉛碘(MAPbI₃)、甲脒鉛碘(FAPbI₃)等鈣鈦礦材料。

然而，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池中鉛元素具有毒性以及鈣鈦礦材料的不穩定性嚴重阻礙其商業化，鉛是一種嚴重危害人體健康的重金屬元素，會影響血紅細胞和腦、腎、神經系統功能，特別是嬰幼兒吸收鉛后，將有超過30％保留在體內，影響嬰幼兒的生長和智力發育。并且鈣鈦礦太陽能電池不穩定性體現在環境中水、氧氣、溫度、光照等條件均能引起器件效率的衰減。例如太陽能器件在暴露于相對濕度(RH)高于50％的環境中后，其光電轉換效率會出現迅速下降。以及在高溫下鈣鈦礦材料也會發生分解。因此，如何解決含鉛元素以及提高鈣鈦礦的穩定性，是實現PSCs工業化應用的重要的兩個任務。