[发明专利]一种金属元素和有机物协同作用来得到稳定CsBX3

说明书

本发明公开了一种金属元素和有机物协同作用来得到稳定CsBX3钙钛矿方法，利用Goldschmidt容忍因子公式来调节CsBX₃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。利用小离子半径的金属离子掺杂从而改变CsBX₃钙钛矿晶胞参数，进而改善CsBX3钙钛矿材料发光特性、材料稳定性、材料微结构形貌以及材料的能带结构、载流子迁移率和载流子寿命等，进而提高钙钛矿材料性能。将上述两种策略结合起来，本发明省时省力、成本低廉、效果显著，具备制备高质量高稳定性钙钛矿材料并工业化生产的潜质，所得到的钙钛矿材料可以应用于发光二极管、钙钛矿太阳能电池、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，具体涉及一种通过在钙钛矿CsBX₃内部掺杂金属阳离子和有机物配体来获得一种具有优异性能新结构的方法。

背景技术

目前，电气照明约占全球功耗的19％，因此采用高效，低成本的照明技术非常重要。然而传统的照明技术，例如白炽灯和节能灯因为其能量利用率低，造成大量电力资源损失正在逐渐被人们淘汰。与此同时，LED(light emitting diode)发光二极管技术，作为一种新型的照明技术，因为其能耗低、寿命长、热量小、电压低、坚固耐用等优点被广泛应用在各个领域。因此，开发高效率，低功耗，低成本的LED是缓解当前能源危机的有效手段。钙钛矿材料由于具有发光波长宽、发光线宽窄、荧光量子产率高、色域宽、合成温度低、载流子迁移率高等诸多优点在LED发光领域已经开展了很多研究，特别是钙钛矿红光和绿光的效率均已经突破20％，已经达到应用标准，然而稳定性还远远不够商用标准，有待于进一步提高。并且除了红光和绿光外，钙钛矿在其他颜色的光的效率都比较低，大多都在6％以下。

在钙钛矿ABX₃结构中，将含有有机成分的A位全部替换为无机阳离子Cs⁺可以在一定程度上提高晶体结构的稳定性，从而提高钙钛矿材料和器件的稳定性。此外，引入适当的配体封端钙钛矿的表面从而钝化晶界晶面是十分必要的。合适的表面配体封端不仅可以减少表面缺陷，提高钙钛矿材料的寿命，还可以抑制水氧引起的表面分解，并且使用钝化策略还可以有效地改善器件性能。Bi等人通过与短链配体2-氨基乙硫醇(AET)进行部分配体交换来代替原始溶液，证明了一种有效改善溶液和薄膜中CsPbI₃钙钛矿量子点(QDs)稳定性的表面工程策略，从而在颗粒周围形成紧密的配体屏障，这防止了水分子的渗透并因此防止了膜的降解。除了将A位有机物替换的方式可以提高稳定外，在B位掺杂小离子半径的金属阳离子依然可以改善结构稳定性和材料稳定性。容差因子(t)是Goldschmidt在1920年代初提出的规则，用于理解和量化化学物种的哪些组合可以形成钙钛矿结构。R_A，R_B和R_X分别是ABX₃钙钛矿的A，B和X位的离子的离子半径。当容忍因子接近于1时，代表钙钛矿八面体是一个稳定的结构。对于卤化钙钛矿，公差系数范围为0.81t1.11。如果t超出此范围，将不会形成3D钙钛矿结构，而是会出现具有较低维连接性的角共享BX₆八面体的多晶型，例如2D层，1D链或0D的BX₆八面体簇。这些低维卤化铅化合物通常具有较大的带隙，因此不适合光伏应用。

基于此，我们提出了在钙钛矿CsBX₃内部掺杂离子半径较小的金属阳离子和有机物配体来获得一种优异稳定新结构的方法。

发明内容