[发明专利]一种一维铜碘基杂化半导体材料及其光电应用

说明书

本发明公开了一种一维铜碘基无机‑有机杂化钙钛矿半导体材料及其制备方法和应用。所述的杂化钙钛矿半导体分子结构式为CuI(Btz)，式中的Btz是苯并噻唑，该材料表现为有机配体和无机组分通过配位键相连的杂化一维链结构。铜碘原子交替配位相连形成阶梯状中性一维链，苯并噻唑则通过铜氮配位键呈翼状分布在铜碘链的两侧。该材料可通过选择碘化亚铜，苯并噻唑等反应原料通过简便的溶剂热反应获得，材料无机和有机组分间电子传输效率高，光电转换性能优异，稳定性好，可用作光伏器件的制作。

技术领域

本发明涉及杂化半导体材料领域，尤其涉及一种一维铜碘基杂化钙钛矿半导体材料CuI(Btz)与其光电应用，其中Btz为苯并噻唑。

背景技术

人口持续增长以及重工业迅速发展带来了能源短缺和环境污染等一系列问题。为了满足日益增长的能源需求，能源系统在未来必须具备实用低成本、高效可持续和环境污染小等特点。因此，发展可再生能源来获取清洁能源是当今世界面临的挑战，而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的能源，其有效的利用技术成为研究热点，其中太阳能电池材料的研究备受关注。 近年来，有机金属卤化物钙钛矿材料由于具有载流子迁移率高、光吸收系数高等优点受到广泛的关注。而有机-无机杂化钙钛矿(HOIP)太阳能电池的出现迅速革新了整个光伏领域，转化效率由最初的3.8%提升到23.9%，而效率的快速提升得益于钙钛矿材料本身的光电特性。但是有机金属卤化物钙钛矿材料在加热、潮湿、光伏照等环境下不稳定成为目前急需解决的问题。

为了提升有机金属卤化物钙钛矿的稳定性，可以对有机金属卤化物钙钛矿材料结构成分进行优化，即采取离子替换或掺杂的方式。Gratzel课题组将Cs⁺引入FAPbI₃中，提升了材料的热稳定性，也排除了MA吸湿性的不稳定影响，而使用溴元素部分替换碘元素不仅能够提升稳定性，同时能够在保持原有结构框架的基础上减少Pb-6s/I-5p的重叠，所得到的黑色Cs_0.2FA_0.8PbI_2.84Br_0.16相在外界环境中表现出良好的稳定性，并且器件转换效率也达到了18.02％。而研究发现三维钙钛矿材料环境稳定性较差，而较低结构维度的钙钛矿材料具有良好的稳定性，因此通过对有机金属卤化物钙钛矿材料结构维度的优化也能达到提高材料稳定性的目的。

此外，从晶体工程的角度，有机组分与无机组分间有两类作用力可用于构筑杂化材料：强作用力，如配位键和弱相互作用力，如氢键，库仑力等。与弱相互作用力相比，配位键构筑的杂化材料有利于有机和无机组分间的电子传输，更有利于构筑光电转换材料。

目前钙钛矿太阳能电池吸光剂材料以杂化铅基钙钛矿为主，易造成环境污染，所以非铅金属卤化物钙钛矿材料的研究受到广泛关注。本发明中以碘化亚铜作为反应物与有机配体相结合构成一维有机金属杂化钙钛矿半导体材料，属于非铅无污染有机金属钙钛矿材料；该材料在紫外及可见光区域具有较强的光吸收能力，并且展现出优异的光电转换性能，在光电探测及太阳能电池材料研究领域具有重要价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一维铜碘基杂化钙钛矿半导体材料，该材料有机组分苯并噻唑通过配位键与无机铜碘链相连，既有利于两组分间的电子传输，又避免了苯并噻唑上的N原子形成亲水基团，克服现阶段已报道三维钙钛矿材料环境稳定性差以及杂化铅基半导体材料中铅的毒性问题；该合成方法条件简单，合成原料价格低廉、易获得且无毒无害，获得的材料具有良好的光电转换性能。

本发明的技术方案包括以下内容：