[发明专利]一种水稳定锑碘基杂化钙钛矿及其合成与应用

说明书

本发明公开了一种水稳定锑碘基无机‑有机杂化钙钛矿及其制备方法与应用。所述的杂化钙钛矿分子结构式为Et4ppi‑SbI₄，式中的Et4ppi是带有一个单位正电荷的4‑苯基吡啶阳离子，由4‑苯基吡啶中的N原子乙基化形成；该材料中的SbI₄阴离子则是三价锑离子和碘离子配位形成的一维阴离子链。通过选择三氯化锑，4‑苯基吡啶，丙酮和氢碘酸为反应原料，通过溶剂热反应获得了Et4ppi‑SbI₄的单晶，该材料作为一种环境友好型材料，同时具有优异的水稳定性和光电转换性能，在光电子器件领域具有重要应用价值。

技术领域

本发明涉及无机-有机杂化钙钛矿领域，尤其涉及一种水稳定的锑碘基杂化钙钛矿Et4ppi-SbI₄的制备方法与其光电转换应用，Et4ppi为乙基化4-苯基吡啶阳离子。

背景技术

由于近年来化石能源消耗以及空气环境恶化日益严重，迫切需要一种新型的为人类提供清洁的可再生能源的方法，因此，人们将目光投向了取之不尽用之不竭的太阳能，在太阳能转换方式备选方案当中，将太阳能直接转换成电能的光伏技术拥有广阔的发展前景。

以明星材料甲铵铅碘钙钛矿（MAPbI₃，其中MA = CH₃NH₃⁺）为例，尽管其作为太阳能光吸收剂的认证效率已经突破23%，已逐渐趋近于硅基的太阳能电池，也被认为是光伏领域中最具有发展前景的材料，但是始终未达到真正的商业化应用，主要原因有二，其一来自于重金属铅的毒性，其二便是暴露于水中甚至是潮湿空气中的自分解特性。一般而言，杂化材料中的有机组分可以大大影响该材料与水分子的氢键结合能力，最终将会直接影响材料的水稳定性。因而MAPbI₃极差的水稳定性主要归因于甲胺阳离子上存在强亲水基团-NH₃⁺。但是目前针对提升杂化钙钛矿水稳定的许多研究仅仅是将较长或较大的烷基链取代甲基，并未消除亲水胺基，因此并不能从根本上解决他们的亲水特性。

设计不含强亲水基团胺基的结构导向剂，是构筑强稳定性杂化材料的关键环节。烷基作为典型的疏水基团，通过设计对应的烷基化反应将芳香杂环上的N原子封闭，可以从根本上杜绝其与水分子形成强氢键的可能，因此我们推测具有N-烷基化有机阳离子作为结构导向剂合成的杂化钙钛矿比具有含亲水基团的杂化物水稳定性更高。基于锑、碘反应原料合成无铅杂化钙钛矿光吸收材料，既保持了杂化钙钛矿直接带隙的特点，使材料具有吸收系数高、载流子迁移率高和易于成膜的优势，又从根本上避免了重金属铅对于环境的污染。该类材料具有优异的光电转换性能，在光电探测及太阳能电池领域具有重要的研究价值。

发明内容

本发明的目的在于以“无强氢键”策略构筑水稳定锑碘基杂化钙钛矿材料，通过将芳香杂环结构导向剂的N原子用烷基封闭，从根本上杜绝材料与外界水分子形成强N–H…O强氢键的可能，克服了现阶段锑基杂化钙钛矿材料在水稳定性方面的不足；合成的材料具有良好的水稳定性，且在300-550 纳米范围内表现出了较强的光学吸收能力，光暗电流比值较高，可应用在光电器件领域。

本发明的技术方案包括以下内容：