一种铅卤钙钛矿多晶薄片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铅卤钙钛矿多晶薄片及其制备方法，该方法通过原位热压使得前驱物粉末进行充分的反应，可以实现100％的原料利用率，避免了原料的浪费。该方法在加压的同时，进行加热，避免了先加压，后加热，而造成步骤的增多；且该方法适用于制备铅卤钙钛矿多晶薄片，其前驱体反应原料易于挥发，该反应通过模具的设计，使得在密闭环境下反应，能够精确的控制反应生成物的比例以及生成的钙钛矿薄膜的厚度；该方法在低温下合成了钙钛矿晶体薄膜，降低生产成本，同时能够根据目标薄片的厚度进行物料的准备，通过该方法获得的多晶薄片具有与单晶材料相当的载流子迁移率和载流子收集效率，可用于制备高质量钙钛矿光电器件。

【技术实现步骤摘要】
一种铅卤钙钛矿多晶薄片及其制备方法
本专利技术属于钙钛矿材料制备领域，具体涉及一种铅卤钙钛矿多晶薄片及其制备方法。
技术介绍
铅卤钙钛矿材料具有优异的光电性能，被广泛地应用于太阳能电池、LED、激光器、射线探测器等器件当中。目前钙钛矿太阳能电池的效率高达23.7％、钙钛矿发光量子点的量子效率已接近其理论极限，达到22％，展示了其良好的应用前景。然而，目前报道的高性能的器件结果均为小面积的器件，为进一步实现钙钛矿材料的大规模应用，发展大面积钙钛矿材料的制备技术成为目前研究中需要解决的问题。同时，钙钛矿射线探测器的性能与钙钛矿材料的厚度呈正相关的关系，发展钙钛矿厚膜(薄片)的制备技术也是亟需解决的问题。目前，通常采用刮涂、印刷的方法制备大面积钙钛矿薄膜，此种方法可以获得较薄的钙钛矿薄膜，但无法应用于厚膜(薄片)的制备。通过生长大尺寸晶体的方法可以获得较厚的钙钛矿材料，但是切割和溶液生长过程中会造成巨大的原料浪费。因此，需要开发一种厚度可控、结晶质量高的、材料利用率高的钙钛矿材料的制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种铅卤钙钛矿多晶薄片及其制备方法；该方法利用加热条件下分子的热运动，实现PbX2(X为Cl-、Br-或I-)和AX(A为Cs、CH3NH3或CH(NH2)2，X为Cl-、Br-或I-)之间的插层反应，从而获得厚度可控的钙钛矿多晶薄片。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种铅卤钙钛矿多晶薄片的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将铅卤钙钛矿多晶薄片的前驱物粉末通过研磨混匀；步骤2，将前驱物粉末放置于模具中，对模具施加压力同时，对模具进行加热，使前驱物粉末在模具内部发生插层反应，合成为钙钛矿多晶薄片；插层反应的反应温度为100℃-250℃，插层反应过程中，模具内部为密封环境。步骤3，模具冷却后，制得冷却后的铅卤钙钛矿多晶薄片的化学结构式为APbX3，其中，A为Cs+、CH3NH3+、CH(NH2)2+，X为Cl-、Br-、I-。本专利技术的进一步改进在于：优选的，步骤1中，前驱物粉末为AX粉末和PbX2粉末的混合物，其中，A为Cs+、CH3NH3+、CH(NH2)2+，X为Cl-、Br-、I-。优选的，步骤1中，AX粉末和PbX2粉末的粒径要求均为1-100μm。优选的，步骤1中，AX粉末和PbX2粉末混合的摩尔比为1:1。优选的，步骤2中，插层反应的温度为150℃-180℃，反应时间为15-60min。优选的，步骤2中，插层反应的反应时间为20-30min。优选的，步骤2中，插层反应的压力为0.1MPa-20MPa。优选的，步骤2中，插层反应的压力为5MPa-10MPa。一种通过上述任意一种的制备方法制备出的铅卤钙钛矿多晶薄片，铅卤钙钛矿多晶薄片的化学结构式为APbX3，其中，A为Cs+、CH3NH3+、CH(NH2)2+，X为Cl-、Br-、I-；所述钙钛矿多晶薄片厚度为10μm-5mm。优选的，钙钛矿多晶薄片的载流子迁移率为10-50cm2·V-1·s-1。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开了一种铅卤钙钛矿多晶薄片的制备方法，该方法通过原位热压法使得前驱物粉末进行充分的反应，可以实现100％的原料利用率，避免了原料的浪费。现有的采用化学方法制备钙钛矿材料，如旋涂法、溶液法生长晶体的过程中，只有一部分原材料的溶液得到了有效的利用，存在着大量的溶液浪费及原料浪费问题，该方法在通过对模具施加压力，使得整个反应在密封环境下进行插层反应，与此同时，对模具施加的压力传递至模具内部的粉末中，使得粉末压合成为致密的结构；在加压的同时，通过模具外的加热装置，对整个反应体系进行升温，使得模具内部处于高温高压环境下(此处的高温高压为相对于前驱物粉末自身的性质)；另一方面，该原位热压法区别于一般的原位合成法，该方法在加压的同时，进行加热，避免了先加压，后加热，而造成步骤的增多；该方法适用于制备铅卤钙钛矿多晶薄片，AX作为前驱粉末的一种，因X为卤族元素，导致AX的气化温度相对较低，其在100-250℃之间的饱和蒸气压高，即在该温度范围内，AX即可气化，参与反应；而PbX2的微观结构为层状状态，在该温度状态下，其分子间的相互作用力较弱，使得在处于该压力和温度下的气态AX作为客体分子能够破坏分子间里插入至PbX2的层间，发生前驱物之间的插层反应。密闭环境下，原料利用率高，在避免原料浪费的同时，能够精确的控制反应生成物的比例以及生成的钙钛矿薄膜的厚度；该方法在相对较低的温度(相对于陶瓷材料等通过现有的原位合成制备的材料)下合成了钙钛矿晶体薄膜，降低生产成本，同时能够根据目标薄片的厚度进行物料的准备。进一步的，为保证插层反应过程中，能够达到分子插层的作用，对前驱物粉末的粒度进行了限制；进一步的，对插层反应的反应温度，即模具的加热温度进行了限定，温度太低，AX无法气化，温度太高，AX的气化程度将不可控。进一步的，对插层反应的压强进行了限制，保证压力能够促进插层反应的进行。进一步，通过该方法制备的铅卤钙钛矿多晶薄片厚度和形状能够根据实际需要进行制备，通过调整模具的形状，即可制备出目标形状的多晶薄片，不再拘泥于旋涂法需要均匀涂抹的工艺要求，制备出的薄片形状单一；而厚度能够调整前驱物粉末的加入量进行调控。本专利技术还公开了一种铅卤钙钛矿多晶薄片，该薄片通过上述制备方法制成，该薄片中的钙钛矿晶粒的尺寸远大于通过常规的旋涂法制备出的钙钛矿多晶薄膜，晶粒尺寸大，使得该多晶薄片的载流子迁移率大于旋涂法制备出的钙钛矿多晶薄膜的载流子迁移率(约为3-7cm2·V-1·s-1)；该薄片同时具有与单晶材料相当的载流子迁移率(10-50cm2·V-1·s-1)，可用于制备高质量钙钛矿光电器件。【附图说明】图1为通过本专利技术合成的钙钛矿多晶薄片图；其中，(a)图为实物照片图；(b)图在100倍大倍数下的SEM图；(c)图为在1000倍下的SEM图；图2为通过旋涂法制备出的钙钛矿薄膜的微观图；其中，(a)图为薄膜的横截面图；(b)图为薄膜的纵截面图；图3为本专利技术合成的钙钛矿多晶薄片和单晶薄片的硬度对比图；图4为样品的载流子迁移率测试结果图。【具体实施方式】下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细描述；本专利技术公开了一种铅卤钙钛矿多晶薄片及其制备方法；该铅卤钙钛矿多晶薄片通过原位热压法制备，制备出的铅卤钙钛矿多晶薄片的化学式为APbX3，其中，A为Cs+、CH3NH3+、CH(NH2)2+，X为Cl-、Br-、I-。该铅卤钙钛矿多晶薄片的厚度为10μm-5mm；制备出的钙钛矿多晶薄片的载流子迁移率为10-50cm2·V-1·s-1。该铅卤钙钛矿多晶薄片的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1，通过研磨，将前驱物粉末进行混合；前驱物粉末的选用根据需要制备的钙钛矿薄膜的种类进行选择，前驱物粉末为AX粉末和PbX2粉末的混合物，其中，A为Cs+、CH3NH3+、CH(NH2)2+，X为Cl-、Br-、I-；因此，AX为CsBr、CsCl、CsI、CH3NH3Cl、CH3NH3Br、CH3NH3I、CH(NH2)2Br、CH(NH2)2I或CH(NH2)2Cl，BX为PbI2、PbBr2、PbCl2；AX本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铅卤钙钛矿多晶薄片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将铅卤钙钛矿多晶薄片的前驱物粉末通过研磨混匀；步骤2，将前驱物粉末放置于模具中，对模具施加压力同时，对模具进行加热，使前驱物粉末在模具内部发生插层反应，合成为钙钛矿多晶薄片；插层反应的反应温度为100℃‑250℃，插层反应过程中，模具内部为密封环境；步骤3，模具冷却后，制得冷却后的铅卤钙钛矿多晶薄片的化学结构式为APbX3，其中，A为Cs

【技术特征摘要】
1.一种铅卤钙钛矿多晶薄片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将铅卤钙钛矿多晶薄片的前驱物粉末通过研磨混匀；步骤2，将前驱物粉末放置于模具中，对模具施加压力同时，对模具进行加热，使前驱物粉末在模具内部发生插层反应，合成为钙钛矿多晶薄片；插层反应的反应温度为100℃-250℃，插层反应过程中，模具内部为密封环境；步骤3，模具冷却后，制得冷却后的铅卤钙钛矿多晶薄片的化学结构式为APbX3，其中，A为Cs+、CH3NH3+、CH(NH2)2+，X为Cl-、Br-、I-。2.根据权利要求1所述的一种铅卤钙钛矿多晶薄片的制备方法，其特征在于，步骤1中，前驱物粉末为AX粉末和PbX2粉末的混合物，其中，A为Cs+、CH3NH3+、CH(NH2)2+，X为Cl-、Br-、I-。3.根据权利要求2所述的一种铅卤钙钛矿多晶薄片的制备方法，其特征在于，步骤1中，AX粉末和PbX2粉末的粒径要求均为1-100μm。4.根据权利要求2所述的一种铅卤钙钛矿多晶薄片的制备方法，其特征在于，步骤1中，AX粉末和Pb...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘生忠，杨周，胡明昕，刘渝城，曹舒晴，莫莉红，储德鹏，苏晗，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61