[发明专利]一类具有高光电响应效率、室温稳定的铯铅卤化物钙钛矿晶体材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一类具有高光电响应效率、室温稳定的钙钛矿型CsPbBr_3‑xI_x晶体以及其制备方法和应用。制备方法为：以PbBr₂、PbI₂、CsBr、二甲基亚砜为原料，其中Pb²⁺和Cs⁺物质的量比为2:1，Br^‑和I^‑物质的量比为14:1~2:1，采用逆温蒸发结晶法进行生长，制得尺寸大、结晶质量高、Br^‑和I^‑分布均匀的钙钛矿晶体材料。该晶体材料不仅具有良好的稳定性，而且通过碘离子掺杂将新能级引入带隙，从而使该晶体的吸收边发生红移，拓宽了光吸收范围。并且适量碘掺杂降低了该晶体的暗电流密度、缩短了光响应时间、增大了光电流密度，从而提高了晶体作为光电探测器时的响应率、检测率和外量子效率。

技术领域

本发明属于钙钛矿光电材料领域，具体涉及一类具有高光电响应效率、室温稳定的钙钛矿型CsPbBr_3-xI_x晶体以及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的发展，不可再生资源日益减少，能源紧缺问题成为人类需要解决的首要问题。太阳能具有清洁、丰富、无污染等诸多优点，越来越受到人们的关注。近年来，钙钛矿材料作为一种新型材料被广泛研究，特别是在作为光伏材料时，均表现出了优异的性能。目前，具有钙钛矿结构的有机-无机金属卤化物薄膜太阳能电池的效率已从最初的3.8%提高到了21%。但是有机-无机金属卤化物材料的化学稳定性不佳，限制了其在光电领域的实际应用。因此，很有必要寻找组成和结构稳定的、性能高效的光电材料。无机金属卤化物CsPbBr₃晶体属于正交晶系钙钛结构，Pnma空间群，该晶体稳定性高。但是CsPbBr₃带隙较宽，为2.3eV，在可见光区域吸收范围较窄，而且在光电性能测试中可观察到其暗电流密度较高，影响了其光响应率。另一种无机金属卤化物CsPbI₃晶体有立方晶系钙钛矿结构（α-CsPbI₃）和正交晶系钙钛矿结构（δ-CsPbI₃）。二者的带隙分别为1.73和2.82eV，表明其中的α-CsPbI₃晶体在可见光区域的吸收范围宽于CsPbBr₃晶体。而且，α-CsPbI₃晶体的暗电流低，光电性能优于CsPbBr₃晶体。已有文献报道α-CsPbI₃薄膜的光电转化效率可达到10.74%。但是由于Cs⁺阳离子的半径较小，导致容忍因子低，立方相α-CsPbI₃晶体在室温下难以稳定存在。通常立方相仅存在于300℃以上的高温条件，室温时CsPbI₃晶体易发生相变，影响到晶体的结构稳定性和光电性能。因此，本发明设想将I^-引入室温稳定的CsPbBr₃晶体中，通过带隙调控可以拓宽晶体的光吸收范围，获得室温稳定、光电响应效率高的钙钛矿型CsPbBr_3-xI_x晶体。