[发明专利]一种掺杂金属元素提高无机无铅CsSnI3

说明书

本发明提供了一种掺杂金属元素提高无机无铅CsSnI3钙钛矿稳定性的方法，该方法利用Goldschmidt容忍因子公式：t＝(r(A)+r(X))/√2(r(B)+r(X))来调节CsSbI₃钙钛矿结构的稳定性，其中r(A)、r(B)、r(X)分别为A、B、X三种离子的半径。要形成稳定的钙钛矿结构，容忍因子取值范围应为0.81t1.11。因此利用小离子半径的金属离子掺杂从而改变CsSnI₃钙钛矿晶胞参数，进而改善钙钛矿材料性能。本发明成本低廉、效果显著，适用于制备高质量高稳定性钙钛矿材料并具备工业化生产潜质，所得到的钙钛矿材料可以应用于钙钛矿太阳能电池、发光二极管、微传感器件、激光器、光电探测器、光敏二极管、薄膜晶体管等光电、铁电、压电功能器件领域。

技术领域

本发明属于光电材料与器件领域，具体涉及一种通过微量掺杂金属元素来提高无机无铅CsSnI₃钙钛矿稳定性的方法。

背景技术

随着科技、经济以及社会的不断进步，人类对于能源的需求不断增加，能源与环境这个领域也不断吸引广大研究者的关注。目前就我国的能源结构而言，任然是以煤、炭、石油等化石燃料为主，这并不利于国家的经济发展以及能源与环境的可持续发展。为了解决目前的能源与环境危机，人们开始越发重视清洁能源例如：太阳能、风能、海洋能、地热能的开发和利用。近年来，太阳能取之不尽用之不竭的巨大能量储存引起了广大研究人员的研究兴趣，光伏产业的不断发展与进步，太阳能电池的转换效率也得到不断地提升，制备成本不断降低，光伏发电技术已经实现了部分商业化应用，尤其在交通、通讯、汽车、航天、海水淡化等领域都占据十分重要的地位。钙钛矿太阳能电池成本低廉，制备工艺简单。早在1958年，对无机钙钛矿CsPbX3的研究首先证明了金属卤化物钙钛矿不同寻常的光致电导性，X为负一价的卤素离子(Cl、Br或I)。1978年Weber课题组首先对有机-无机杂化钙钛矿进行研究发现其具有优良的光电性质。2009年Miyasaka课题组使用TiO2的介孔结构，发表了第一篇有机-无机金属卤化物钙钛矿这种材料在太阳能电池领域应用的研究论文。从此以后，有机无机杂化钙钛矿走进了人们的研究邻域，近十几年国际上的快速发展使得有机无机杂化钙钛矿在效率以及稳定性等方面得到了飞跃式的提升。2012年，基于CH3NH3PbI3的铅基有机无机杂化钙钛矿太阳能电池已经实现了10％的光电转换效率。到2020年，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过25％，目前已然可以和市面上的硅以及碲化镉太阳能电池相互比拟。但目前典型的高性能钙钛矿太阳能电池使用的是Pb基有机无机杂化钙钛矿作为光吸收层，如甲铵铅碘(MAPbI₃)、甲脒铅碘(FAPbI₃)等钙钛矿材料。

然而，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池中铅元素具有毒性以及钙钛矿材料的不稳定性严重阻碍其商业化，铅是一种严重危害人体健康的重金属元素，会影响血红细胞和脑、肾、神经系统功能，特别是婴幼儿吸收铅后，将有超过30％保留在体内，影响婴幼儿的生长和智力发育。并且钙钛矿太阳能电池不稳定性体现在环境中水、氧气、温度、光照等条件均能引起器件效率的衰减。例如太阳能器件在暴露于相对湿度(RH)高于50％的环境中后，其光电转换效率会出现迅速下降。以及在高温下钙钛矿材料也会发生分解。因此，如何解决含铅元素以及提高钙钛矿的稳定性，是实现PSCs工业化应用的重要的两个任务。