[发明专利]一种低温原位控制合成碘铋铜三元化合物半导体光电薄膜材料的化学方法

说明书

本发明涉及一种低温原位控制合成碘铋铜三元化合物半导体光电薄膜材料的化学方法。该方法为：将具有金属单质铜和金属单质铋薄膜的基底材料，或者具有铋铜合金薄膜的基底材料，置于盛有单质碘的反应釜内，在惰性气氛、密封条件下，80～150℃原位反应制得碘铋铜三元化合物薄膜材料。该方法通过简单的气固反应原位、低温即可制备碘铋铜三元化合物半导体薄膜材料，反应条件温和，工艺简单。

技术领域：

本发明属于材料化学技术领域，尤其涉及一种低温原位控制合成碘铋铜三元化合物半导体光电薄膜材料的化学方法。

背景技术：

有机-无机杂化卤化物钙钛矿太阳能电池因其光吸收效率高、电荷载体迁移率高、晶格缺陷容忍度高、能带可调等优点引起了人们的广泛关注，在短短几年内其光电转化效率已经达到22.7％。但是人们也注意到传统有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池仍然存在很多缺点，首先传统钙钛矿材料含重金属铅，对环境危害较大；其次钙钛矿材料在潮湿的环境中或在强紫外线辐射下容易分解，在85℃下全日光照射24h或者暴露在湿度为52％的空气中4-5天之后，CH₃NH₃PbI₃即发生分解产生PbI₂，且未封装的钙钛矿太阳能电池在空气条件下放置30min之后，电池性能将发生大幅度的降低，效率仅为初始值的19％。

为了避免铅的毒性和污染问题，无铅钙钛矿太阳能电池逐渐引起人们的重视。2014年，Hao等以CH₃NH₃SnBr_xI_3-x作为光吸收层，得到了能量转换效率为5.73％的太阳能电池。但是，这种材料与传统钙钛矿材料类似，其热稳定性以及环境稳定性并不理想，从而制约了该材料作为太阳能电池吸光层的进一步发展。在这种情况下，人们开始尝试利用稳定的无机阳离子来取代甲胺基以构建高效稳定的钙钛矿太阳能电池。Ivan Turkevych等将摩尔比为1:1的AgI和BiI₃混合粉末放在真空密封的石英安瓿瓶中加热至600℃形成黑色晶体，将黑晶体融入110℃的DMSO中制得前驱体溶液，再将前驱体溶液旋涂在含有TiO₂的FTO基底上，将1mL甲苯滴加到旋转的基材上以进行反溶剂处理，最后将薄膜在110℃退火15分钟，蒸发DMSO后制得黑色的AgBiI₄。通过改变AgI和BiI₃的比例获得了不同物相的碘铋银薄膜材料。组装的FTO/c-m-TiO₂/Ag₃BiI₆/PTAA/Au太阳能电池获得了4.3％的光电转换效率。Fourcroy等将CuI和BiI₃的混合粉末放置于密封的二氧化硅瓶中在610℃下制备CuBiI₄，然后将产物在350℃退火5天后得到黑色单晶，最后再对产物进行快速淬火。这是到目前为止唯一一篇对碘铋铜的合成进行报道的文献，但其制备工艺复杂，反应需要在较高的温度下进行，能耗高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足而提供一种低温原位控制合成碘铋铜三元化合物半导体光电薄膜材料的化学方法，该方法通过简单的气固反应原位、低温(80-150℃)即可制备碘铋铜三元化合物半导体薄膜材料，反应条件温和，工艺简单。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种低温原位控制合成碘铋铜三元化合物半导体光电薄膜材料的化学方法，将具有金属单质铜和金属单质铋薄膜的基底材料，或者具有铋铜合金薄膜的基底材料，置于盛有单质碘的反应釜内，在惰性气氛、密封条件下，80-150℃原位反应制得碘铋铜三元化合物薄膜材料。

按上述方案，所使用的铋铜合金中铋:铜的摩尔质量比为1:1～3：1。

按上述方案，金属铜单质和铋单质的厚度分别为10～100nm。

按上述方案，所述金属铋铜合金薄膜的厚度为40～100nm。