[发明专利]一种无铅有机无机阳离子共同杂化钙钛矿材料及其薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种无铅有机无机阳离子共同杂化钙钛矿材料及其薄膜的制备方法，所述无铅有机无机阳离子共同杂化钙钛矿材料由甲氨基或乙氨基等有机阳离子与Rb或Cs等无机阳离子共同杂化BiI3获得，并采用磁控溅射法制得无铅有机无机阳离子共同杂化钙钛矿薄膜。本发明涉及太阳能光电材料、半导体材料领域，以Bi取代Pb成为钙钛矿材料的中心离子，避免钙钛矿材料对环境的潜在污染，此外，Bi与有机无机阳离子共同杂化得到的钙钛矿材料具有较低的带隙，有利于电子跃迁，提高光电转化效率。

技术领域

本发明涉及太阳能光电材料、半导体材料领域，尤其涉及一种无铅有机无机阳离子共同杂化钙钛矿材料及其薄膜的制备方法。

背景技术

随着人类社会的发展，能源消耗日益增加，太阳能光伏技术的发展无疑备受人类的关注。 钙钛矿材料，作为 2013 年“世界十大科技突破”之一，被认为是发展高效太阳能电池最具潜力的新材料。目前钙钛矿太阳能电池的最高转化效率已经高达 22.1%。

钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿一般是有机无机杂化的 ABX3 型化合物，其中 A为甲氨基、乙胺基或者无机 K、 Rb、 Cs 等离子； B 为 Pb、 Sn 或者 Ti 等金属离子， X为 Cl、 Br、 I 等阴离子。如果 A 全部为无机离子，则该钙钛矿材料称为无机钙钛矿材料，如果 A 为甲氨基、乙胺基等有机小分子，则称为有机无机杂化钙钛矿材料。

钙钛矿材料研究最为广泛地的是甲氨基、乙胺基杂化 PbI2 而获得的碘甲胺铅和碘乙胺铅。但是这种有机无机杂化钙钛矿材料的中心离子均为 Pb，存在潜在的环境污染问题。

文献[Anna J. Lehner et.al, Chenistry Materials,2015,27,7137-7148.Crystal and Electronic Structures of Complex Bismuth Iodides A3Bi2I9(A = K,Rb, Cs) Related to Perovskite: Aiding the Rational Design of Photovoltaics]报道了 A3Bi2I9(A = K, Rb,Cs)的晶体结构，发现 RbBi2I9 的带隙为 2.1eV；文献[Michael Saliba. et.al,Science.aah5557 (2016), Incorporation of rubidiumcations into perovskite solar cellsimproves photovoltaic performance]报道了Rb 离子掺杂甲碘胺铅钙钛矿材料的研究，并在 0.5cm2 的面积上得到 20.4%的光电转化效率。文献[Abhishek Swarnkaret.al, Science, OCT.2016,VOL 354 ISSUE 6308,Quantum dot-induced phasestabilization of a-CsPbI3 perovskite for high-efficiency photovoltaics] 报道了CsPbI3 量子点的热注入合成方法与性能研究结果。

上述文献方法存在一个问题，即 RbBi2I9 的带隙为 2.1eV，而甲碘胺铅钙钛矿材料是含铅的钙钛矿材料，存在潜在的环境污染问题。本发明提出一种以 Bi为中心离子的无铅有机无机杂化钙钛矿材料。众所周知，纯无机离子杂化钙钛矿材料的稳定性更好，但是光电性能略差；有机无机离子杂化的钙钛矿材料的光电性能突出，但是稳定性稍差。同时，文献中所述有机无机离子杂化钙钛矿材料均为阳极离子为有机的甲氨基或乙胺基同时采用阴离子为无机的卤族元素离子。稳定性差的主要原因在于有机阴离子与中心离子结合而成的物质遇水或空气后会发生分解反应而导致钙钛矿材料的光电性能急剧衰减。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种不足，提供一种光电性能突出、稳定性高的环境友好型的无铅有机无机阳离子共同杂化钙钛矿材料。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：