[发明专利]一种利用三元混合溶剂生长大尺寸钙钛矿单晶的方法

说明书

本发明提供一种采用三元混合溶剂生长一种纯无机、大尺寸、含碘的光学带隙可调谐CsPbI_xBr_3‑x钙钛矿单晶的方法。该方法利用CsPbI_xBr_3‑x在三元溶剂中的逆温度溶解度特性，从三元溶剂形成的稳定溶液中生长大尺寸单晶。其方法为：将溴化铅(PbBr₂)、碘化铯(CsI)按照摩尔比为1：1的比例，分别混合溶解于DMSO后，继续滴加DMF和GBL两种溶剂，得到三元混合溶剂所溶解的前驱体溶液。将该溶液密封后逐渐升温至90℃下，利用逆溶解度原理，生长大尺寸的CsPbI_xBr_3‑x钙钛矿单晶，其中x为I的掺杂含量，选自0～3中的任意数值；吸收光谱范围为560‑700nm。

技术领域

本发明涉及纯无机、混合卤素钙钛矿材料制备和晶体生长领域，具体涉及一种从三元混合溶剂中生长大尺寸含碘的CsPbI_xBr_3-x钙钛矿单晶的方法。

背景技术

首先，钙钛矿材料作为太阳能电池光吸收层的技术，吸收层对太阳光的吸收情况是决定光电转换效率的重要因素。材料对太阳光的吸收主要利用其较宽的吸光范围，能够在更大程度上吸收光能，提高光照利用率，产生更大的电流密度，进而提高其利用在光伏器件上时的光电转换效率。

其次，钙钛矿材料根据其物质组成可以分为有机-无机杂化钙钛矿和全无机钙钛矿。其中有机-无机杂化钙钛矿因为有机基团易挥发、易分解等问题，导致其本身的耐水，热和化学的稳定性较差，严重影响器件的进一步发展。相比之下，全无机钙钛矿由于具备优异的稳定性成为了当前的研究热点，尤其是CsPbI₃具备1.73eV的光学带隙，非常适合应用于提高光伏器件的利用率。根据调研发现，CsPbBr₃能够在常温常压下稳定存在，但是CsPbBr₃本身的带隙较宽(2.3eV)，所以，为了拓展太阳光的利用，需要对CsPbBr₃的光学带隙缩小、吸收拓宽的调控。因为Br和I同为卤族元素，性质相似，CsPbBr₃中加入I元素，制备的不同I掺杂量的CsPbI_xBr_3-x可以在一定程度上避免CsPbI₃的相变和CsPbBr₃的宽带隙等问题，满足光伏器件对于材料带隙和稳定性的要求。

再次，得益于钙钛矿薄膜成本低、易制备的特点，钙钛矿材料作为太阳能电池的光吸收层一般采用薄膜的形式。然而对于CsPbI_xBr_3-x，继续采用传统的薄膜形式将无法确定I是否进入晶格内部以及准确获得材料中I与Br的具体化学计量比。因此，CsPbI_xBr_3-x单晶是保证获得I进入晶格内部的最佳媒介，是研究CsPbI_xBr_3-x带隙调控以及光学性质的基本条件。但是，CsPbI_xBr_3-x单晶的生长目前仍面临着困难，比如需要强酸环境、高温条件等。

因此，本发明提出一种简单低温溶液生长大尺寸混合卤素CsPbI_xBr_3-x钙钛矿单晶的方法。一方面回避了从无机酸强腐蚀环境，另一方面也避开从高温熔体中生长单晶的高温条件；并且生长的大尺寸CsPbI_xBr_3-x单晶具备优异的稳定性以及较窄的光学带隙，进而能够作为钙钛矿太阳能电池的光吸收材料，提高光电转换效率，对于纯无机材料的发展以及在光伏器件中的应用尤为迫切，也具有极其重要的意义。

发明内容