一种禁带宽度可调的铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种禁带宽度可调的铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜及制备方法，所述纳米多孔薄膜通过将由铬掺杂锡酸钡纳米颗粒和有机溶剂混合得到的前驱胶体溶液涂覆在衬底上后经热处理而得到，所述铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜的无机成分为BaSn1‑xCrxO3，其中0≤x≤0.5。

A chromium-doped barium stannate nanoporous film with adjustable band gap and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种禁带宽度可调的铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜及制备方法
本专利技术涉及一种禁带宽度可调的材料--铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜及其制备方法，属于半导体氧化物薄膜材料

技术介绍
探索高转换效率、高稳定性、低成本的新型光电转换材料是光伏材料研究的永恒主题。当前最热门的太阳能电池当属于钙钛矿太阳能电池(PSC)，其继承并脱胎于染料敏化太阳能电池(DSSC)，致力于解决晶硅、碲化镉等太阳能电池的若干缺点，如转换效率较低、贵金属染料价格较高、液态电解质易挥发泄露等问题。目前，钙钛矿太阳能电池的吸光层仍以有机-无机复合卤素钙钛矿材料(甲胺铅碘：CH3NH3PbI3)为主，然而，甲胺铅碘材料的不稳定性、毒性限制了其在光伏太阳能电池器件领域的应用，所以，窄禁带、高稳定、全无机的钙钛矿光吸收材料必将成为研究热点。碱土金属锡酸盐是一类典型的钙钛矿结构的复合氧化物材料，禁带宽(3.18-4.5eV)，电阻大，高温性质稳定，具有丰富的光学、电学、磁学特性，得到了广泛研究。英国K.P.Marshall等人采用碘锡铯(CsSnI3)作为光吸收材料，制备出光电转换效率为3.56％的钙钛矿太阳能电池。因此，锡酸盐材料有望推动钙钛矿太阳能电池器件的发展。在锡酸盐制备上，由于其禁带宽度较宽，难以实现与空穴传输层的能级匹配。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种能有效调控禁带宽度和拓宽吸光范围的钙钛矿吸光材料铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜及其制备方法。在此，一方面，本专利技术提供一种铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜，所述纳米多孔薄膜通过将由铬掺杂锡酸钡纳米颗粒和有机溶剂混合得到的前驱胶体溶液涂覆在衬底上后经热处理而得到，所述铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜的无机成分为BaSn1-xCrxO3，其中0≤x≤0.5。根据上述专利技术，在碱土金属锡酸盐锡酸钡中引入掺杂元素铬，由此形成的钙钛矿吸光材料铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜，实现了能带带隙的有效调控和拓宽了吸光范围。例如，本专利技术的一实施形态的禁带宽度可调的铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜能带带隙宽度从3.05eV有效降低到2.68eV，吸光范围从400nm拓宽到600nm。本专利技术中铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜在400-600nm的可见光波段具有可调的光学性能。该铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜的光学能带带隙宽度实现可控调节，通过元素铬的掺杂，带隙宽度为2.68～3.05eV。所述铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜的无机成分BaSn1-xCrxO3中，0≤x≤0.5，铬掺杂调整纳米颗粒禁带宽度，优选0＜x≤0.5，更优选0.5≤x≤0.15，带隙宽度为2.93～2.68eV。较佳地，所述纳米多孔薄膜表面可具有多孔结构，比表面积为10～30m2/g，孔径为1～10nm；厚度为25～1000nm；表面均方根粗糙度为1～100nm。另一方面，本专利技术还提供一种制备上述铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜的制备方法，包括：按照(10～500)mg：(50～500)ml的比例将铬掺杂锡酸钡纳米颗粒与有机溶剂混合，得到铬掺杂锡酸钡前驱胶体溶液；以及将所述铬掺杂锡酸钡前驱胶体溶液涂覆在衬底上后，在空气中于100～500℃热处理1～24小时，得到所述铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜。本专利技术中选取铬掺杂锡酸钡纳米颗粒与溶剂混合制备前驱胶体溶液，涂覆在衬底上并在一定的温度下进行热处理，得到结晶性良好、具有较高的比表面积(10～30m2/g)的纳米多孔结构(孔径为1～10nm)、光学禁带宽度在2.68～3.05eV范围内连续可调的铬掺杂锡酸钡薄膜，可广泛应用于半导体光电器件、太阳能电池等领域。而且，本专利技术的方法可制备具有纳米多孔结构的铬掺杂锡酸钡薄膜，实现对薄膜的光学透过率和能带带隙宽度的可控调节；同时该方法具有工艺稳定可靠、操作简单的特点，易于推广应用。所述铬掺杂锡酸钡纳米颗粒可以通过如下方法制备得到：以水溶性锡盐、水溶性钡盐、水溶性铬盐为原料，以过氧化物水溶液为溶剂，采用过氧化物沉淀法制备前驱颗粒；将所述前驱颗粒于700～1300℃热处理1～24小时，得到所述铬掺杂锡酸钡纳米颗粒。其中，所述水溶性锡盐可以为四氯化锡(SnCl4)、五水四氯化锡(SnCl4·5H2O)碘化锡(SnI4)、乙酸锡(C8H12O8Sn)中的至少一种。水溶性钡盐可以为氯化钡(BaCl2)、二水氯化钡(BaCl2·2H2O)、碘化钡(BaI2)、二水碘化钡(BaI2·2H2O)、硝酸钡(Ba(NO3)2)、乙酸钡(C4H6O4Ba)中的至少一种。水溶性铬盐可以为三氯化铬(CrCl3)、六水三氯化铬(CrCl3·6H2O)、硝酸铬(Cr(NO3)3)、九水硝酸铬(Cr(NO3)3·9H2O)、乙酸铬(C6H9O6Cr)中的至少一种。过氧化物水溶液为过氧化氢(H2O2)水溶液、过氧碳酸钠(2Na2CO3·3H2O2)水溶液、过氧苯甲酸(C6H7O3)水溶液制得至少一种，所述过氧化物水溶液的浓度可以为10～50％(质量分数)。水溶性锡盐与溶剂(过氧化物水溶液)的比例可以为(0.001-0.1)mol：(100-2000)ml。采用过氧化物沉淀法制备前驱颗粒可以包括：按照BaSn1-yCryO3的化学计量比将水溶性锡盐、水溶性钡盐、水溶性铬盐溶解于过氧化物水溶液中，随后加入螯合剂，混合得到澄清溶液，然后滴加沉淀剂至溶液pH值为8～14，搅拌1～120分钟得到前驱颗粒，其中0≤y≤0.5。所述螯合剂可以为草酸(C2H2O4)、酒石酸(C4H6O6)、柠檬酸(C6H8O7)、葡萄糖酸(C6H12O7)、氨基三乙酸(C6H9NO6)、乙二胺四乙酸(C10H16N2O8)中的至少一种。水溶性锡盐与螯合剂的摩尔比可以为(0.001-0.1)：(0.001-0.1)。沉淀剂可以为氨水(NH3·H2O)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸氢钾(KHCO3)中的至少一种。其中氨水的浓度可以为10～50％(质量分数)。通过元素掺杂，可以改变电子结构，实现对锡酸盐材料光学带隙的调控，使其由本征的宽禁带材料转变为光吸收与太阳光谱匹配、具有高载流子迁移率、高稳定性的新型、全无机钙钛矿光吸收材料。采用过氧化物沉淀法制备掺铬的锡酸钡纳米颗粒，能拓宽铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜在可见光的吸收范围及实现铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜能带带隙的可控调节，而且过氧化物沉淀法制备纳米颗粒具有粒径分布均匀细小、结晶质量高等突出特点，有利于制备出附着力良好，分布均匀，且具有纳米多孔结构的薄膜。所述铬掺杂锡酸钡纳米颗粒的组成化学式为BaSn1-yCryO3，0≤y≤0.5，优选0＜y≤0.5，更优选0.5≤y≤0.15。所述铬掺杂锡酸钡纳米颗粒的粒径可以为1～100nm。所述衬底可以为掺杂氟的氧化锡、氧化铟锡、氧化镁、单晶硅、氧化铝、聚对苯二甲酸乙二醇酯等具有平面结构的固体材料。可以对衬底进行预处理，例如可以将衬底依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，每次时间1～30分钟，最后在干燥的氮气下吹干。所述有机溶剂可以为乙二醇单甲醚、乙酰丙酮、聚乙二醇、乙二醇、乙醇、环己烷中的至少一种。可以采用旋涂法将所述铬掺杂锡酸钡前驱胶体溶液涂覆在衬底上。与磁控溅射、真空蒸发、脉冲激光沉积等传统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜，其特征在于，所述纳米多孔薄膜通过将由铬掺杂锡酸钡纳米颗粒和有机溶剂混合得到的前驱胶体溶液涂覆在衬底上后经热处理而得到，所述铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜的无机成分为BaSn1‑xCrxO3，其中0≤x≤0.5。

【技术特征摘要】
1.一种铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜，其特征在于，所述纳米多孔薄膜通过将由铬掺杂锡酸钡纳米颗粒和有机溶剂混合得到的前驱胶体溶液涂覆在衬底上后经热处理而得到，所述铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜的无机成分为BaSn1-xCrxO3，其中0≤x≤0.5。2.根据权利要求1所述的铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜，其特征在于，所述纳米多孔薄膜表面具有多孔结构，比表面积为10～30m2/g，孔径为1～10nm；厚度为25～1000nm；表面均方根粗糙度为1～100nm。3.一种权利要求1或2所述的铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜的制备方法，其特征在于，包括：按照（10～500）mg：（50～500）ml的比例将铬掺杂锡酸钡纳米颗粒与有机溶剂混合，得到铬掺杂锡酸钡前驱胶体溶液；以及将所述铬掺杂锡酸钡前驱胶体溶液涂覆在衬底上后，在空气中于100～500℃热处理1～24小时，得到所述铬掺杂锡酸钡纳米多孔薄膜。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述铬掺杂锡酸钡纳米颗粒通过如下方法制备得到：以水溶性锡盐、水溶性钡盐、水溶性铬盐为原料，以过氧化物水溶液为溶剂，采用过氧化物沉淀法制备前驱颗粒；将所述前驱颗粒于700～1300℃热处理1～24小时。5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：高相东，张彤彤，杨京南，吴永庆，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31