[发明专利]一种降低形核数量的钙钛矿单晶生长方法

说明书

本发明提供一种降低形核数量的钙钛矿单晶生长方法。包括水浴条件下将第一金属化合物与第二卤素酸混合溶解，并添加第三有机分子化合物制备钙钛矿粉末，洗涤干燥。用极性溶剂溶解所制备的钙钛矿粉末，并添加聚乙二醇、聚丙二醇或聚乙烯醇等含氧基团聚合物混合搅拌，加热析出钙钛矿单晶。本发明中选择将聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯醇或聚丙烯酸等含氧基团聚合物添加到有机溶剂中，有效降低了晶体生长过程的形核数量，进而得到大尺寸钙钛矿单晶。可以合成六种铅基有机无机钙钛矿单晶。合成方法操作简单，提高了原料的利用率，制备出的单晶尺寸大、结晶质量高、半导体性能好。为钙钛矿材料在太阳能电池、光电探测器，发光器件的运用提供基础。

【技术领域】

本发明涉及一种通过降低形核数量的方法生长单晶材料，特别是涉及一种有机钙钛矿单晶的制备方法，应用于太阳能光电器件的新材料领域。

【背景技术】

随着世界经济的不断发展和化石能源及他资源的不断消耗，人类迫切需要开发新的可再生环保新能源。太阳能作为一种绿色可再生能源，可以满足全球日益增长的能源需求。光伏太阳能发电系统因为其绿色环保、安全可持续等特点已经得到广泛的应用，而提高光电转换效率、降低生产成本对光伏产业的发展有很重要的意义。

有机-无卤素合钙钛矿因其高的载流子迁移率、长的载流子寿命、对杂质和缺陷低容忍度而成为一种新的太阳能电池材料。自从2009年首次报道其在光伏器件的运用，到目前其转换效率已经达到24.2％。由于其高的转换效率和低成本等优势，近几年受到大家的高度关注。制备尺寸更大、结晶度更好的钙钛矿单晶材料有助于制备更好的钙钛矿太阳能电池以及其他的光伏器件。

目前制备钙钛矿单晶的主要方法有顶部籽晶溶液生长法、降温析晶法、升温析晶法、反溶剂法等。例如Dong首次报道用顶部籽晶溶液生长法制备出最大尺寸为10mm的CH3NH3PbI3钙钛矿单晶(Dong,Q.et al. Science 347,967-970(2015))，Dang用降温法制备出10mm*10mm*8mm的 CH₃NH₃PbI₃单晶(Dang,Y.et al.CrystEngComm.17,665-670(2015))，Liu 利用籽晶诱导成核和多次结晶的方法制备出71mm*54mm*39mm的CH₃NH₃PbI₃单晶(Liu,Y.et al.Adv.Mater.27,5176-5183(2015))。Shi使用反溶剂蒸发扩散的方法制备出体积达到100mm³的CH₃NH₃PbBr₃和CH₃NH₃PbI₃单晶(Shi, D.et al.Science 347,519-522(2015))。

对于商业化运用，需要快速制备高质量大尺寸单晶。所述的前三种方法一般需要几天甚至一个月，且操作或者装置较为复杂。比如Dong制备10mm的CH₃NH₃PbI₃钙钛矿单晶，需要1个月的生长时间，Dang用降温法制备出10mm*10mm*8mm的CH₃NH₃PbI₃单晶也需要几天的生长时间。而Liu利用籽晶诱导成核和多次结晶的方法，需要多次更换反应溶液，或者生长之初需要提供大量前驱液，生长晶体转换效率较低。而Shi使用反溶剂蒸发扩散的钙钛矿单晶生长方法，虽然生长速度较快，但尺寸太小，不能满足实际光伏器件的运用。

因此，快速、高效制备钙钛矿单晶对于工业化生产十分重要。而制备高质量大尺寸单晶对于钙钛矿单晶在光伏器件上的实际运用意义重大。

【发明内容】