[发明专利]大尺寸钙钛矿结构甲胺碘铅晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及大尺寸钙钛矿结构甲胺碘铅晶体的制备方法，是一种采用溶液降温法人工培养晶体的方法，属晶体材料制备技术领域。

背景技术

从2009年到2013年，CH₃NH₃PbX₃(X=Cl, Br, I)钙钛矿型太阳能电池的功率转化效率从3.8%到超过15%，在世界范围内，对钙钛矿型太阳能电池的研究达到空前热度，入选《Science》杂志公布的2013年度十大科技突破。这类材料兼有无机组元高的载流子迁移率和有机组元良好的易柔性加工性能，能高效地吸收从可见光到波长800nm的广谱光，还具有能在TiO₂，Al₂O₃等多孔材料上通过溶液化学反应直接合成的特点，适合涂覆工艺等优势。从商业价值的角度，其光伏过程的能量损耗(0.4eV)与晶体硅太阳能电池相当，远低于传统的DSSCs和有机太阳能电池(约为0.7eV–0.8eV)。另外，钙钛矿结构材料在吸收蓝色和绿色光子方面比硅更好。很多光伏太阳能领域的顶级科学家乐观地预言CH₃NH₃PbI₃等钙钛矿结构材料将成为新一代高效全固态太阳能电池的首选。然而，从实用的角度，这类太阳能电池的性能还亟待优化。由于CH₃NH₃PbI₃存在多变的结构及生长技术的困难，对这种晶体的结构化学、结晶化学、许多独特的光学，电学和磁学性能等方面还存在诸多疑问，目前检索得到的CH₃NH₃PbI₃单晶的最大尺寸为2mm。为了获得准确的材料结构和性能信息，我们采用溶液生长法制备较大尺寸的CH₃NH₃PbI₃单晶，为研究CH₃NH₃PbI₃材料的物化性能，光学性能，电学性能及光电性能等提供材料基础，同时通过对CH₃NH₃PbI₃性能的研究，为优化CH₃NH₃PbI₃太阳能电池的性能提供理论依据。我们的实验借鉴水溶液晶体生长方法，制备CH₃NH₃PbI₃晶体。

发明内容

针对目前大尺寸钙钛矿结构甲胺碘铅晶体（CH₃NH₃PbI₃晶体）的制备技术的欠缺，为了获得大尺寸的CH₃NH₃PbI₃单晶，特提出新的CH₃NH₃PbI₃晶体的培育方法。

大尺寸钙钛矿结构甲胺碘铅晶体的制备方法，采用溶液降温法，包括如下步骤：

1）将0.01摩尔的PbI₂用25 ml，质量百分浓度为57%的HI溶液溶解，配制Pb²⁺-HI溶液；

2）将HI溶液与CH₃NH₂溶液按摩尔比1:1混合，在0～10℃下反应至少2h，得到CH₃NH₂I溶液；

3）将步骤1）得到的Pb²⁺-HI溶液与步骤2）得到的CH₃NH₂I溶液混合，其中Pb²⁺与CH₃NH₂I的摩尔比为1:（1～2），优选为1:1.5；置于95℃下预热48～72h，得到95℃下的CH₃NH₃PbI₃过饱和溶液，过滤，得到澄清的棕色液体作为CH₃NH₃PbI₃晶体生长的母液；

4）将步骤3）得到的母液于95.5～96℃的水浴中预热12~24h，置于晶体生长容器中，程序降温，降温速率0.1～0.2℃/h，至45℃后保持恒温，得到CH₃NH₃PbI₃晶体；