[发明专利]一种禁带宽度可调的钙钛矿单晶生长方法

说明书

本发明提供一种禁带宽度可调的钙钛矿单晶快速生长方法，通过调控原料卤素的比例调控钙钛矿材料的禁带宽度。通过合成得到卤素混合的钙钛矿粉末并溶解到有机溶剂中，通过添加聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯醇或聚丙烯酸，低温加热生长出禁带宽度可调的卤素混合钙钛矿单晶。合成的碘/溴和溴/氯任意比例混合的铅基甲胺钙钛矿单晶大尺寸、形状规则、结晶性好。本发明可以任意调控铅基甲胺卤素钙钛矿单价，从1.51‑2.94eV禁带宽度任意调控。实验装置简单成本低，工艺简单可靠，所得单晶结晶性好。拓宽了钙钛矿单晶材料的种类。为在光电探测器和发光器件领域，寻找更优异性能的钙钛矿材料提供了新的材料基础。

技术领域

本发明涉及一种禁带宽度可调的钙钛矿单晶快速生长方法，特别是涉及一种通过改变不同卤素混合比例来调控禁带宽度的方法，为寻找更优异性能的钙钛矿材料提供了新的材料基础。

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-无机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。卤素混合的钙钛矿单晶在光电器件中有很窄的光谱响应，在X射线，γ射线探测器中有更高的迁移率和更大的μτ值。

有机-无机钙钛矿的晶体结构为ABX₃，其中A为有机分子或无机原子，B为铅/锡原子，X为卤素原子。目前制备禁带宽度可调的ABX₃晶体结构钙钛矿单晶的主要方法是调控A位的有机分子混合(MA＝CH₃NH₂,FA＝C₃H₈N₂O₂)和X位卤素混合(X＝I,Br,Cl)。而A位掺杂调控禁带宽度有限，而通过调控X位卤素混合的比例,如I/Br,Br/Cl,可以大幅度调控有机钙钛矿的禁带宽度宽度。比如MAPbI₃的禁带宽度为1.51eV,而MAPbBr₃禁带宽度为2.25eV,MAPbCl₃的禁带宽度为2.94eV。所以调节I/Br,Br/Cl的混合比例可以达到从1.51eV到2.94eV任意调控的目的。目前文献报道的有两篇文献：(1)Fang通过配置钙钛矿的卤素酸溶液，通过降温发生长卤素混合钙钛矿单晶，但生长周期慢(降温速率：3℃/天)，合成I/Br混合的钙钛矿单晶种类很少。(Y.J.Fang,Q.F.Dong,Y.C.Shao,Y.B.Yuan and J.S.Huang,Nature photonics,2015,9,679-687.)(2)Wang通过将卤素铅盐和甲胺卤素盐混合溶于有机溶剂，加热生长得到单晶，但晶体质量差，很多卤素混合单晶尺寸小(2-3毫米尺寸)，禁带宽度调控的区间有限。(W.F.Wang,J.Su,L.Zhang,Y.Lei,D.Wang,D.Lu,Y.Bai,CrystEngComm,2018,20,1635–1643)

所述的第一种方法一般需要一周甚至一个月的时间，生长周期长，且晶体尺寸不超过5mm。后一种方法生长速度较快，但晶体质量差，不能满足实际光伏器件的运用。而已有文献还没有文献报道，可以从1.51eV-2.94eV任意调控的的钙钛矿单晶，这也抑制了其在光电器件的运用和发展。

【发明内容】

有鉴于此，本发明要解决的问题是提供了一种普适性的禁带宽度可调的钙钛矿单晶生长方法，通过卤素的混合达到禁带宽度可调的目的，禁带宽度可以从1.51eV-2.94eV任意调控，且单晶质量高。具有实验操作简单、原料利用率高、所得单晶尺寸大等优点。

一种禁带宽度可调的钙钛矿单晶快速生长方法，其特征在于，包括如下步骤：