[发明专利]一种微波法高效制备钙钛矿微晶的方法

说明书

本发明涉及钙钛矿材料领域，公开了一种微波法高效制备钙钛矿微晶的方法，所述钙钛矿微晶的化学通式为MA_XFA_1－XPbI₃，其制备方法包括：(1)按照目标产物各元素之间的摩尔质量比称取有机组分和无机组分，并将有机组分和无机组分溶解于碳酸丙烯酯中，即得钙钛矿前驱体溶液；(2)采用微波法加热钙钛矿前驱体溶液，控制加热温度为70～130℃，加热时长为10～30min；(3)反应完全后析出黑色微晶，经过滤洗涤之后得到钙钛矿微晶。本发明采用微波法和合适的钙钛矿前驱体溶剂，可快速、均匀、低能耗地使钙钛矿前驱体溶液内外部同时加热、同时升温，均匀析晶，保证晶体的质量，提高产率。

技术领域

本发明涉及钙钛矿材料的领域，特别是涉及一种微波法高效制备钙钛矿微晶的方法和钙钛矿微晶的光电应用。

背景技术

近年来，有机－无机金属卤化物钙钛矿材料由于具备吸光能力强、带隙可调、高载流子迁移率和较长载流子扩散距离等优异半导体性质，已经被广泛应用在各种光伏领域，特别是在钙钛矿太阳电池领域。目前，钙钛矿太阳电池的最高认证效率记录已经高达25.5％，能与传统的晶硅电池媲美。因此，钙钛矿太阳电池被视为最有潜力的新型光伏发电产品之一。

随着钙钛矿太阳电池的快速发展，未来实现商业化进程面对的最大挑战是如何实现由实验室规模的小面积器件转型为可满足市场需求的大面积器件。大规模生产钙钛矿太阳电池需要高纯度、稳定的钙钛矿原材料供给作为基础。目前高效率钙钛矿太阳电池，基本都依赖高纯度的原材料，如碘化铅、溴化铅、碘化甲胺、碘化甲脒等，对材料生产品牌、批次、溶解性都非常敏感。其次，由以上原料制备的钙钛矿薄膜通常化学计量比不准确，均匀性较差，而且薄膜杂质和晶格缺陷多，导致器件性能较差。更重要的是，高纯度的钙钛矿原料成本高，会提高器件制备成本。此外，其稳定性差，对湿度敏感，容易吸潮，也严重缩短材料保质期，存储或制备的条件也更加苛刻。因此如何突破传统工艺限制，实现低成本、高质量、可批量稳定制备的高品质钙钛矿原材料，是推进钙钛矿太阳电池商业化的关键。

相对于钙钛矿多晶材料，钙钛矿单晶具备纯度高、缺陷密度较低、载流子扩散距离长、迁移率高、载流子寿命长和化学性质稳定的优势。直接利用钙钛矿单晶制备各种钙钛矿基光电器件，可以获得更好的光电性能。特别地，利用钙钛矿晶体重新溶解，可以得到化学性质更稳定的前驱体溶液，制备的钙钛矿薄膜化学计量比准确，均匀性好，缺陷密度低。更重要的是，以价格低廉、低纯度的原料初步纯化析晶得到高纯度钙钛矿微晶的工艺，可以降低钙钛矿太阳电池制造成本。因此，实现高结晶度、高纯度、可稳定批量制备各种钙钛矿组分的晶体材料，等同于掌握着该领域发展的核心技术之一。

目前，制备钙钛矿晶体的方法主要有三种：水溶液冷却析晶法、抗溶剂蒸汽辅助结晶法以及升温结晶法。水溶液冷却析晶法，具有一定的普适性，主要是利用钙钛矿材料在卤化氢水溶液中的溶解度随温度下降而降低的特点，通过控制降温速度调控晶体生长。但通过降温析晶得到的钙钛矿晶体一般尺寸小，而且对控温要求高。由于长时间加热控温，溶液对流会影响晶体有序生长，表面也可能有较多杂质。抗溶剂蒸汽辅助结晶法，是利用一个密闭环境，将抗溶剂慢慢挥发至钙钛矿前驱体溶液中，使其溶解度逐渐降低，随后缓慢析出晶体。该方法通常需要较长时间使溶剂挥发渗透，而且选用的抗溶剂一般为二氯甲烷，氯苯，甲苯、二氯苯等，具有高毒性。以上两种方法都不是理想的钙钛矿晶体合成方法。而升温结晶法，是利用钙钛矿在特定的溶剂里溶解度随温度上升而下降，从而析出晶体。通常只需要50－100℃加热即可析出晶体。这种析晶方法具有耗时短、工艺简易、所得晶体尺寸较大的优势。但是升温结晶的加热方式是热传导，热量是从物体的外部传递到内部，有梯度地由表及里地进行加热，因此物体内部难免会存在加热不均匀，存在温度梯度差，导致出现局部过热的情况。因此析出的晶体是不均匀的，将导致晶体质量差异大。

发明内容