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一種制備鈣鈦礦太陽電池用鹵化鉛甲胺的新方法與流程

文檔序號:12397771閱讀:896來源:國知局

本發(fā)明涉及一種制備鈣鈦礦太陽電池用鹵化鉛甲胺的新方法,特別是一種采用六次甲基四胺和鹵化鉛固相化學(xué)反應(yīng),低成本制備鈣鈦礦太陽電池用鹵化鉛甲胺的新方法,屬于新能源和新材料領(lǐng)域。

技術(shù)背景

基于有機金屬鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)光吸收材料制備的太陽能電池被稱為鈣鈦礦太陽電池,目前其光電轉(zhuǎn)換效率已超過28%,未來可望達到50%,將顛覆現(xiàn)有太陽電池技術(shù)成為市場主流產(chǎn)品。 鈣鈦礦太陽電池通常是由透明導(dǎo)電玻璃、致密層、鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層、金屬背電極五部分組成。鈣鈦礦光吸收層的厚度一般為200-600nm,主要作用是吸收太陽光并產(chǎn)生電子-空穴對,并能高效傳輸電子-空穴對。

鈣鈦礦光吸收材料典型分子式為AMX3,其中, A代表一價的陽離子, M代表金屬陽離子,一般是鉛、錫或鍺, X代表鹵素陰離子。目前國內(nèi)外已對金屬陽離子和鹵素陰離子的研究比較透徹,而對一價陽離子的組成、結(jié)構(gòu)和作用機制的研究才剛剛起步。已開展研究的一價陽離子包括CH3NH3+、HNCH2NH3+、Cs+和NH4+,研究證明全無機陽離子形成的鈣鈦礦光吸收材料性能遠不如有機-無機共價的鈣鈦礦光吸收材料性能,有機-無機共價的鈣鈦礦光吸收材料是未來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。

目前國內(nèi)外對鈣鈦礦型光吸收材料鹵化鉛甲胺(CH3NH3PbX3)進行了大量研究,它是由甲基鹵化胺(甲胺氫鹵酸鹽)和鹵化鉛反應(yīng)生成的無機-有機共價化合物,它是一種半導(dǎo)體光吸收材料,其帶隙約為 1.5eV,能充分吸收波長 400-800nm 的可見光,具有光吸收性能良好、制備簡單和光電轉(zhuǎn)換效率高的特性。

鹵化鉛甲胺文獻報道的制備方法有固相法、真空蒸發(fā)法、溶液法和蒸發(fā)-溶液綜合法等。固相法是將原料PbX2和CH3NH3X固體在反應(yīng)器中混合,直接得到鈣鈦礦光吸收材料;真空蒸發(fā)法是將原料PbX2和CH3NH3X固體同時或先后蒸發(fā)沉積在襯底材料上形成;溶液法是將原料PbX2和CH3NH3X溶解后混合或先后涂布在襯底材料上,在配位作用、氫鍵、范德華力的共同驅(qū)動下,二種鹽產(chǎn)生強烈的自組裝傾向,當局部濃度超出其溶解度時,就析出形成CH3NH3PbX3,溶解鹵化鉛甲胺的常用溶劑是γ-丁內(nèi)酯、二甲基甲酰胺和二甲亞砜;蒸發(fā)-溶液綜合法是先將原料PbX2蒸發(fā)沉積在襯底材料上,然后涂布CH3NH3X溶液在襯底材料上形成。涉及鹵化鉛甲胺制備過程代表性的專利包括US2015200377(2015-07-16)、US2015249170(2015-09-03)、US 2015349282(2015-12-03)和CN105024012(2015-11-04)等。

鹵化鉛甲胺光吸收材料不同于高純化學(xué)試劑,不一定要求產(chǎn)品具有高純度和元素組成完全符合分子式中的計量比。因為功能材料中含有的雜質(zhì)通常可分為有害雜質(zhì)、無害雜質(zhì)或有益雜質(zhì)三類,需要根據(jù)實際應(yīng)用要求合理區(qū)分和對待材料中所含雜質(zhì),控制無害雜質(zhì)在一定范圍內(nèi),盡量保留有益雜質(zhì),盡量去除有害雜質(zhì)。所以,鈣鈦礦太陽電池光吸收材料研究開發(fā)必須與材料的應(yīng)用測試結(jié)合起來進行,以確定出最適用的具體技術(shù)指標。

目前鹵化鉛甲胺已成為鈣鈦礦太陽電池的重要原材料,實驗室研究中采用的鹵化鉛甲胺一般是研究人員自制或定制的,存在價格昂貴、各批次產(chǎn)品質(zhì)量相差很大和光電轉(zhuǎn)換性能不穩(wěn)定的問題,重要原因之一是自制的鹵化鉛甲胺可能部分是以PbX2·NH4X復(fù)鹽形式存在,需要經(jīng)過嚴格的退火處理才能形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和發(fā)揮光電轉(zhuǎn)換效能,一般的實驗室又不具備真空高溫退火條件,研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用特別需要無需退火處理就能夠直接使用的鹵化鉛甲胺產(chǎn)品。

鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化取決于電池的光電轉(zhuǎn)換效率、性能穩(wěn)定性和原材料成本等多種因素。隨著鈣鈦礦太陽電池技術(shù)突破和適應(yīng)未來廣闊的應(yīng)用市場發(fā)展,需要專業(yè)化的鈣鈦礦太陽電池原材料配套供應(yīng)。精細化工企業(yè)應(yīng)根據(jù)市場需要開發(fā)綠色環(huán)保的鹵化鉛甲胺生產(chǎn)工藝,以克服現(xiàn)有生產(chǎn)方法存在的生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、大量有機溶劑回收困難、安全環(huán)保問題突出和難以大規(guī)模生產(chǎn)的問題。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是提供一種制備鈣鈦礦太陽電池用鹵化鉛甲胺的新方法,特別是一種采用六次甲基四胺和鹵化鉛固相化學(xué)反應(yīng),低成本制備鈣鈦礦太陽電池用鹵化鉛甲胺的新方法,以滿足安全環(huán)保和大規(guī)模生產(chǎn)的需要,技術(shù)方案包括以下步驟:

(1)在攪拌下向玻璃反應(yīng)器中分別加入鹵化鉛、氫鹵酸、六次甲基四胺和去離子水,控制原料投料摩爾比為:鹵化鉛:氫鹵酸:六次甲基四胺:去離子水 = 1:1.1-1.5:0.35-0.5:5-10,混合均勻后加熱升溫至100-110℃下回流1-2h,使六次甲基四胺在氫鹵酸存在下與鹵化鉛進行化學(xué)反應(yīng),然后蒸餾除去過量的水分,所述鹵化鉛為氟化鉛、氯化鉛、溴化鉛、碘化鉛或其混合物,所述氫鹵酸為氫氟酸、鹽酸、氫溴酸、氫碘酸或其混合物;

(2)隨著水分的蒸發(fā)物料開始固化,攪拌分散固體物料,再在120-160℃下緩慢加熱反應(yīng)1-4h,使鹵化鉛與六次甲基四胺反應(yīng)生成鹵化鉛甲胺,并使副產(chǎn)物甲酸在160℃下分解揮發(fā),進一步加熱到220-250℃,分解過量的六次甲基四胺0.5-2h,至沒有明顯氣體放出為止;

(3)冷卻反應(yīng)產(chǎn)物,將其溶解在極性有機溶劑和C1-C4脂肪醇的混合溶劑中,過濾除去不溶性雜質(zhì),得到鹵化鉛甲胺溶液,所述極性有機溶劑是γ-丁內(nèi)酯、二甲基甲酰胺、二甲亞砜、乙腈或其混合物,所述混合溶劑中極性有機溶劑和脂肪醇質(zhì)量比為1:5-10;

(4)在60-80℃下真空蒸餾回收混合溶劑,趁熱過濾分離鹵化鉛甲胺結(jié)晶,用C1-C4脂肪醇洗滌,進一步回收有機溶劑中的產(chǎn)品,在60-80℃下真空干燥得到鹵化鉛甲胺產(chǎn)品,收率為95%-99%;

(5)精制產(chǎn)品的化學(xué)組成符合CH3NH3PbX3計量比,鹵化鉛甲胺含量為99.5%,主要雜質(zhì)鹵化銨含量為0.01%-0.05%,水分含量為0.01%-0.05%。

本發(fā)明中采用六次甲基四胺和鹵化鉛固相反應(yīng)制備鹵化鉛甲胺固體產(chǎn)品,反應(yīng)過程比較復(fù)雜,制備過程存在二種可能的反應(yīng)機理,主要化學(xué)反應(yīng)如下:

PbX2+ HX → HPbX3

N4(CH2)6 +3HPbX3+6H2O→3CH3NH3PbX3+2HCOOH + HCOONH4

鹵化鉛分子與氫鹵酸結(jié)合形成鹵鉛酸(HPbX3),從而使鹵化鉛溶解度增大。鹵鉛酸分子中鉛原子具有空軌道,而六次甲基四胺分子中氮原子有孤電子對,它們配位反應(yīng)形成分子結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的鹵化鉛甲胺和副產(chǎn)物甲酸。

另一種可能的反應(yīng)過程是:

N4(CH2)6+ 6H2O+ 4HX → 4NH4X + 6HCHO

NH4X+ PbX2 → NH4PbX3

NH4PbX3 +2HCHO → CH3NH3PbX3+ HCOOH

氫鹵酸水溶液使六次甲基四胺分解釋放出鹵化銨和甲醛,鹵化銨分子中氮原子有孤電子對,在無水條件下容易和鹵化鉛配位反應(yīng)形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鹵化鉛銨(NH4PbX3),進一步與甲醛進行加成反應(yīng)生成更加穩(wěn)定的鹵化鉛甲胺(CH3NH3PbX3),同時生產(chǎn)副產(chǎn)物甲酸。

為了使配位化合反應(yīng)進行完全和提高產(chǎn)品純度,需要逐步提高反應(yīng)溫度使生成的副產(chǎn)物甲酸揮發(fā)和分解除去,特別要控制升溫速度,以防止高溫條件下原料分解和揮發(fā)損失。為了提高制備收率,氫鹵酸和六次甲基四胺相對于鉛原子的投料摩爾比都是適當過量的,反應(yīng)完成后過量原料和副產(chǎn)物需要加熱分解除去或重結(jié)晶分離。六次甲基四胺可在263℃下熔融、升華和分解,為防止鹵化鉛甲胺在高溫下分解,本發(fā)明采用在220-250℃下長時間加熱,升華分離過量的六次甲基四胺。

本發(fā)明制備鹵化鉛甲胺過程中生成的難揮發(fā)副產(chǎn)物是鹵化銨,鹵化銨可溶于C1-C4脂肪醇,本發(fā)明采用在極性有機溶劑和C1-C4脂肪醇中重結(jié)晶的方法除去產(chǎn)品中的鹵化銨雜質(zhì)。

鹵化鉛甲胺易溶于極性有機溶劑,不溶于脂肪醇,溶于水時容易發(fā)生分解。本發(fā)明中采用在極性有機溶劑和C1-C4脂肪醇的混合溶劑中重結(jié)晶提純,鹵化鉛甲胺在一些極性有機溶劑中的溶解度隨溫度升高而降低。本發(fā)明中采用趁熱分離方式的獲得較大的結(jié)晶粒度,采用真空濃縮方式提高產(chǎn)品重結(jié)晶收率。

本發(fā)明中采用原料六次甲基四胺、氟化鉛、氯化鉛、溴化鉛、碘化鉛、氫氟酸、鹽酸、氫溴酸、氫碘酸、C1-C4脂肪醇、γ-丁內(nèi)酯、二甲基甲酰胺、二甲亞砜和乙腈均為市售化學(xué)試劑。

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:

(1)本發(fā)明方法制備鹵化鉛甲胺的原料來源廣,副產(chǎn)物和過量原料能夠氣相分離,容易得到高純度產(chǎn)品;

(2)本發(fā)明采用六次甲基四胺和鹵化鉛固相反應(yīng)制備鹵化鉛甲胺,具有工藝簡單和環(huán)保安全的特點,容易進行擴大和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn);

(3)本發(fā)明產(chǎn)品涂膜后無需退火處理,可直接作為鈣鈦礦太陽電池光吸收層,簡化了太陽電池生產(chǎn)工藝和降低了生產(chǎn)成本。

具體實施方式

實施例1

在玻璃反應(yīng)器中分別加入氯化鉛139.1g(0.5mol),質(zhì)量百分濃度為30%的鹽酸91.2g(0.75mol),六次甲基四胺粉末36.1g(0.25mol)和去離子水18g(1.0mol),混合均勻后加熱升溫至100-110℃下回流2h,然后蒸餾除去水分。攪拌分散固體物料,在120-160℃下緩慢加熱反應(yīng)2h,使氯化鉛反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氯化鉛甲胺,并使副產(chǎn)物甲酸在160℃下分解揮發(fā),進一步在220-250℃下加熱1h,至沒有明顯氣體放出為止。

將反應(yīng)產(chǎn)物溶解在1000mLγ-丁內(nèi)酯和異丙醇質(zhì)量比為1:5的混合溶劑中,過濾除去不溶性雜質(zhì),得到氯化鉛甲胺溶液。在60-80℃下真空蒸餾回收混合溶劑,趁熱過濾分離氯化鉛甲胺結(jié)晶,用異丙醇洗滌,進一步回收有機溶劑中的產(chǎn)品。在60-80℃下真空干燥得到氯化鉛甲胺產(chǎn)品165.1g,收率為95%,氯化鉛甲胺含量為99.5%,雜質(zhì)氯化銨含量為0.05%,水分含量為0.02%。

實施例2

在玻璃反應(yīng)器中分別加入溴化鉛73.8g(0.2mol),質(zhì)量百分濃度為45%的氫溴酸43.2g(0.24mol),六次甲基四胺粉末14.4g(0.1mol)和去離子水9g(0.5mol),混合均勻后加熱升溫至100-110℃下回流2h,然后蒸餾除去水分。攪拌分散固體物料,在120-160℃下緩慢加熱反應(yīng)2h,使溴化鉛反應(yīng)轉(zhuǎn)化為溴化鉛甲胺,并使副產(chǎn)物甲酸在160℃下分解揮發(fā),進一步在220-250℃下加熱1h,至沒有明顯氣體放出為止。

將反應(yīng)產(chǎn)物溶解在1000mL二甲基甲酰胺和異丙醇質(zhì)量比為1:5的混合溶劑中,過濾除去不溶性雜質(zhì),得到溴化鉛甲胺溶液。在60-80℃下真空蒸餾回收混合溶劑,趁熱過濾分離溴化鉛甲胺結(jié)晶,用異丙醇洗滌,進一步回收有機溶劑中的產(chǎn)品。在60-80℃下真空干燥得到溴化鉛甲胺產(chǎn)品93.1g,收率為97%,溴化鉛甲胺含量為99.5%,雜質(zhì)溴化銨含量為0.02%,水分含量為0.02%。

實施例3

在玻璃反應(yīng)器中分別加入碘化鉛92.2g(0.2mol),質(zhì)量百分濃度為55%的氫碘酸55.9g(0.24mol),六次甲基四胺粉末14.4g(0.1mol)和去離子水9g(0.5mol),混合均勻后加熱升溫至100-110℃下回流2h,然后蒸餾除去水分。攪拌分散固體物料,在120-160℃下緩慢加熱反應(yīng)2h,使碘化鉛反應(yīng)轉(zhuǎn)化為碘化鉛甲胺,并使副產(chǎn)物甲酸在160℃下分解揮發(fā),進一步在220-250℃下加熱1h,至沒有明顯氣體放出為止。

將反應(yīng)產(chǎn)物溶解在1000mL二甲基甲酰胺和異丙醇質(zhì)量比為1:5的混合溶劑中,過濾除去不溶性雜質(zhì),得到碘化鉛甲胺溶液。在60-80℃下真空蒸餾回收混合溶劑,趁熱過濾分離碘化鉛甲胺結(jié)晶,用異丙醇洗滌,進一步回收有機溶劑中的產(chǎn)品。在60-80℃下真空干燥得到碘化鉛甲胺產(chǎn)品122.7g,收率為99%,碘化鉛甲胺含量為99.5%,雜質(zhì)碘化銨含量為0.02%,水分含量為0.01%。

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