一种甲基氨基碘化铅铋钙钛矿晶体光吸收层材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种甲基氨基碘化铅铋(简称甲胺铋铅碘)的钙钛矿晶体吸光材料及其制备方法，通式为CH3NH3BiXPb1‑XI3，其中x＝0.01～1；在隔水隔氧条件下煅烧，形成的钙钛矿晶体吸光材料，其晶体具有与甲胺碘铅CH3NH3PbI3相同的晶体结构和相似的光吸收性能。本发明专利技术用铋原子有效地取代CH3NH3PbI3中的铅原子，且不改变其晶体结构；通过控制铋/铅原料比例，有效地减少铅含量。本发明专利技术得到的甲胺铋铅碘CH3NH3BiXPb1‑XI3的钙钛矿结构晶体材料可以用于取代作为钙钛矿太阳能电池的吸收层的甲胺铅碘CH3NH3PbI3晶体材料，能有效提高材料稳定性，减少铅的含量，降低材料的毒性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能电池领域，具体涉及一种可用于光吸收层的甲基氨基碘化铅铋(简称甲胺铋铅碘)CH3NH3BiXPb1-XI3晶体吸光材料及其制备方法。
技术介绍
在一种材料中，掺入同主族元素或邻族元素，可使材料产生特定的光学、电学性能，改变材料化学稳定性，从而具有实际应用价值或特定用途。有机无机复合金属卤化物钙钛矿材料甲胺铅碘CH3NH3PbI3作为吸光材料，在2009年被应用与染料敏化太阳能电池中，并获得了3.8％的光电转换效率[Kojima,A.etal.Organometalhalideperovskitesasvisible-lightsensitizersforphotovoltaiccells.J.Am.Chem.Soc,131,6050.(2009)]。该研究发现钙钛矿材料CH3NH3PbI3禁带宽度为1.5eV，有较高的态密度及吸收系数，晶体无序度小，能有效吸收可见光并产生电子空穴对，用于电池发电。此后，以甲胺铅碘CH3NH3PbI3作为吸光材料的平面异质结构钙钛矿太阳能电池技术及性能得到快速提升，至2016年初，该类型电池最高效率达到了20.8％[Bietal.Efficientluminescentsolarcellsbasedontailoredmixed-cationperovskites.Sci.Adv,2:e1501170.(2016)]。但是该材料的稳定性较差，空气中易分解以及毒性铅元素的存在，切断了该类钙钛矿太阳能电池走向工业化生产之路。2014年，科学家利用铅同主族元素硒取代钙钛矿材料中的铅元素，以降低材料的毒性，但是由于晶体容忍因子太大，破坏了材料的稳定性，使得制备的电池极不稳定[YuheiOgomietal.CH3NH3SnxPb(1-x)I3PerovskiteSolarCellsCoveringupto1060nm.J.Phys.Chem.Lett,2014,5,1004-1011]。如何寻找新的具有更少的铅含量，比甲胺铅碘CH3NH3PbI3有更好的光子吸收性能和稳定性的钙钛矿晶体吸光材料，是当前开发太阳能电池中亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种可用于太阳能电池光吸收层的甲胺铋铅碘的钙钛矿晶体吸光材料及其制备方法。所述甲胺铋铅碘晶体吸光材料，其通式为CH3NH3BiXPb1-XI3，其中x＝0.01～1，是隔水隔氧的环境下煅烧形成的钙钛矿晶体吸光材料，煅烧温度为100～180℃，其晶体具有与CH3NH3PbI3相同的晶体结构和相似的光吸收性能。所述的制备方法包括以下步骤：1)根据通式，将碘化铋BiI3，二碘化铅PbI2与甲基碘化铵CH3NH3I粉末按一定比例充分混合；BiI3和PbI2粉末总和与CH3NH3I粉末的摩尔比为1:2，甲基碘化铵也可以过量到1：3的范围来保证BiI3和PbI2充分反应。2)将混合物装入石英管中，抽高真空至1x10-3Pa，并用氢氧焊枪进行封口，使样品密封在高真空石英管内。3)将上述高真空石英管放入高真空退火炉内在隔水隔氧的条件下煅烧，煅烧温度为120～180℃，煅烧时间为3～6小时，自然降温，获得CH3NH3BiXPb1-XI3晶体。4)对得到的晶体进行检测，与CH3NH3PbI3有相同的晶体结构和相似的光吸收性能。本专利技术提供的甲胺铋铅碘CH3NH3BiXPb1-XI3钙钛矿晶体吸光材料，其晶体结构与CH3NH3PbI3有相同晶体结构，在原CH3NH3PbI3晶体结构的Pb原子位置上，Bi原子部分代替Pb原子的位置，当x＝1时，Bi原子全部代替Pb原子的位置。本专利技术的钙钛矿晶体吸光材料比CH3NH3PbI3晶体稳定，含铅量少。应用于钙钛矿太阳能电池中，可以取代CH3NH3PbI3用于太阳能电池的光吸收层，能有效提高材料稳定性，降低原使用材料中的铅的含量。所述x＝0.25时，即每四个钙钛矿AMX3分子晶胞中M位由一个铋原子和三个铅原子占据时，材料性能更加稳定，且CH3NH3Bi0.25Pb0.75I3的晶体结构与CH3NH3PbI3晶体结构一致。根据理论计算结果，CH3NH3Bi0.25Pb0.75I3的晶体结合能相较其它CH3NH3BiXPb1-XI3晶体更低，更易形成稳定的化合物。如图1所示，图1a为纯CH3NH3PbI3晶体结构示意图，其a轴长度为0.8996nm，b轴长度为0.8996nm，c轴长度为1.2637nm；图1b为CH3NH3BiI3晶体结构示意图，其a轴长度为0.8916nm，b轴长度为0.8916nm，c轴长度为1.2755nm。取代后的钙钛矿晶体材料具有更好的化学稳定性及更低的毒性。在我们的研究中发现，用铅元素的邻族元素铋替代部分或全部铅原子，不会改变材料的晶体结构，也具有与原先材料的相同或相近的光学吸收特性。在国际学术期刊中，还没有相关研究的报道。在实际运用中，此类物质具有光伏特性的潜能，可以用于太阳能电池，发光二极管及航空航天等领域。附图说明图1为(a)CH3NH3PbI3晶体结构，(b)CH3NH3BiI3晶体结构；图2为实施例一得到样品的X射线衍射图；图3为实施例一得到样品的紫外可见光吸收图；图4为实施例二得到样品的X射线衍射图。图5为实施例二得到样品的紫外可见光吸收图；图6为实施例三得到样品的X射线衍射图。图7为实施例三得到样品的紫外可见光吸收图；图8为实施例四得到样品的X射线衍射图。图9为实施例四得到样品的紫外可见光吸收图；具体实施方式以下结合具体实施例进一步介绍本专利技术。实施例一在水含量低于0.1ppm的手套箱中按x＝0，BiI3和PbI2粉末总和与CH3NH3I摩尔比为1：2的比例称量混合，装入石英管中，标记为a1。在水含量低于0.1ppm的手套箱中按x＝0.125，BiI3和PbI2粉末总和与CH3NH3I摩尔比为1：2的比例称量混合，装入石英管中，标记为b1。在水含量低于0.1ppm的手套箱中按x＝0.25，BiI3和PbI2粉末总和与CH3NH3I摩尔比为1：2的比例称量混合，装入石英管中，标记为c1。在水含量低于0.1ppm的手套箱中按x＝0.5，BiI3和PbI2粉末总和与CH3NH3I摩尔比为1：2的比例称量混合，装入石英管中，标记为d1。在水含量低于0.1ppm的手套箱中按x＝1，BiI3和PbI2粉末总和与CH3NH3I摩尔比为1：2的比例称量混合，装入石英管中，标记为e1。对装有样品的a1,b1,c1,d1,e1石英管抽高真空至1x10-3Pa，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种甲胺铋铅碘的钙钛矿晶体吸光材料，其特征在于通式为CH3NH3BiXPb1‑XI3，其中x＝0.01～1；是在隔水隔氧的环境下煅烧形成的钙钛矿晶体吸光材料，煅烧温度为100～180℃，其晶体具有与CH3NH3PbI3相同的晶体结构和相似的光吸收性能。

【技术特征摘要】
1.一种甲胺铋铅碘的钙钛矿晶体吸光材料，其特征在于通式为CH3NH3BiXPb1-XI3，其
中x＝0.01～1；是在隔水隔氧的环境下煅烧形成的钙钛矿晶体吸光材料，煅烧温度为
100～180℃，其晶体具有与CH3NH3PbI3相同的晶体结构和相似的光吸收性能。
2.根据权利要求1所述的一种甲胺铋铅碘的钙钛矿晶体吸光材料，其特征在于通式为
CH3NH3BiXPb1-XI3，其中x＝0.25；是在是隔水隔氧的条件下，煅烧温度为150℃，煅烧时间
为3小时，煅烧形成的CH3NH3Bi0.25Pb0.75I3钙钛矿晶体吸光材料，其晶体具有与CH3NH3PbI3相同的晶体结构、禁带宽度及光吸收性能。
3.根据权利要求1所述的一种甲胺铋铅碘的钙钛矿晶体吸光材料，其特征在于当x＝1
时，即为甲胺铋碘CH3NH3BiI3的钙钛矿晶体吸光材...

【专利技术属性】
技术研发人员：高云，邓天郭，王卓，夏晓红，黄忠兵，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42