一種p型摻雜的鈣鈦礦光電功能材料及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種1丐鈦礦基光電功能材料及其制備方法，屬于光電功能材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鈣鈦礦材料ABX3(如CH3NH3PbI3)作為一種光電性能優(yōu)良的材料，高的光電轉(zhuǎn)換效率，具有ABX3結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦材料具有其特有的晶體結(jié)構(gòu)，同時也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。例如，這類材料有很高的載流子迀移率，高的空穴率，高的摩爾消光系數(shù)，良好的兩極電荷傳輸性，小的激子束縛能和可調(diào)的帶隙，在300nm?800nm的范圍內(nèi)有很強的吸收。此外，電子與空穴等在ABX3鈣鈦礦材料中的壽命較長，載流子擴散長度達到lOOnm，使得電荷分離更加容易。因此，上述鈣鈦礦材料作為光電功能材料在諸如太陽能電池、光探測器等電子器件中等領(lǐng)域已經(jīng)開始被廣泛地研究和應(yīng)用。
[0003]除了鈣鈦礦的制備工藝和器件結(jié)構(gòu)外，鈣鈦礦材料本身的電學性能對器件的性能影響也很大，尋找改善鈣鈦礦電學性能的方法是進一步提高器件性能的一個重要途徑。
[0004]專利文獻CN103762344A中公開了一種通過對鈣鈦礦材料本身電學性能的改善而提高相應(yīng)的器件性能的一種方案，該方案中提出了一種有機兩性分子改性的MzAyBXz+y+2鈣鈦礦基光電功能材料，其通過利用有機兩性分子Μ為改性成分對以ΑΒΧ3@鈦礦材料進行改性，從而獲得具有分子式為MxAyBXx+y+2的鈣鈦礦功光電功能材料，通過這種改性使得材料結(jié)晶性能有著大幅度改善，光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，應(yīng)用于基于碳對電極的介觀太陽能電池中時，得到的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性顯著高于未改性材料ABX3應(yīng)用于此類電池中的效率。
[0005]但是，上述方案也存在一些問題或不足，基于上述方案改性的鈣鈦礦基電池其開路電壓和填充因子比較低，進而導致得到的光電轉(zhuǎn)化效率仍然較低。低的開路電壓和填充因子可能是由于兩性分子改性鈣鈦礦低的導電率和空穴迀移率造成嚴重的電子和空穴的復(fù)合，進而造成嚴重的效率損失。鑒于上述兩性分子改性的鈣鈦礦基電池的高的穩(wěn)定性，進一步探索提高該電池的開路電壓和填充因子的方法顯得尤為緊迫和重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種P型摻雜的鈣鈦礦基光電功能材料及其制備方法，其通過采用P型摻雜劑對鈣鈦礦基光電功能材料ABX3進行P型摻雜，獲得P型摻雜的鈣鈦礦基光電功能材料，其能顯著的提高載流子濃度、空穴迀移率、電導率，進而獲得電學性能優(yōu)良的鈣鈦礦光電功能材料，且制備工藝方法簡單、成本低廉。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供一種P型摻雜的鈣鈦礦基光電功能材料，其以ABX3S基體，有機或者無機摻雜劑為p型摻雜劑，所得到的鈣鈦礦基光電功能材料化學式為xB(Xl)y(X2)3 y，其中0彡X彡1，0彡y彡3，A1為一價有機或無機陽離子，A2為一價有機或無機陽離子，B為二價金屬陽離子，XI或X2為一價陰離子。
[0008]進一步地，所述鈣鈦礦基光電功能材料中，A1或A2為甲胺、甲脒或銫中的至少一種。
[0009]進一步地，所述I丐鈦礦基光電功能材料中，B為鉛、錫、銅、鍺中的至少一種。
[0010]進一步地，所述鈣鈦礦基光電功能材料中，XI或X2為一價陰離子1、Br、C1、BF4、PF6、SCN中的至少一種。
[0011]進一步地，所述的P型摻雜劑優(yōu)選但并不限于以下幾種:高氯酸鋰(LiC104)，三氟甲磺酸鋰(LiCF3S03)，雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(LiN(CF3S02)2)，四氟硼酸鋰(LiBF4)，四氯化錫(SnCl4)，2，3，5，6-四氟-7，7，8，8-四氰基對醌二甲烷(F4-TCNQ)，三氧化鎢(W03)，三(4-溴苯基)六氯銻酸銨((p_BrC6H4) 3NSbCl6)，三(2-(1吡唑-1-基)吡啶)合鈷(tris(2-(ΙΗ-pyrazol-l-yl)pyridine)cobalt(III)，F(xiàn)K102)。
[0012]按照本發(fā)明的另一方面，提供一種太陽能電池，其特征在于，包括上述P型摻雜的光電功能材料，且該光電功能材料作為光捕獲劑。
[0013]按照本發(fā)明的又一方面，提供一種包括上述P型摻雜的光電功能材料的場效應(yīng)晶體管、有機發(fā)光二極管或場效應(yīng)晶體管。
[0014]按照本發(fā)明的再一方面，提供一種上述P型摻雜的鈣鈦礦基光電功能材料的制備方法，包括如下步驟:
[0015](1)將適量的碘化甲胺和碘化鉛溶解在DMF中反應(yīng)得到鈣鈦礦前驅(qū)體溶液A ;
[0016](2)將適量P型摻雜劑溶解在DMF中得到溶液B ;
[0017](3)根據(jù)摻雜量的需要，取適量溶液B加到溶液A中充分混合得到P型摻雜的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液C ;
[0018](4)烘干P型摻雜的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液C中溶劑即可得到鈣鈦礦材料。
[0019]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0020](1)本發(fā)明中，通過加入P型摻雜劑，使得鈣鈦礦基光電功能材料的費米能級往其價帶方向移動，進而提高其空穴迀移率和電導率，使得鈣鈦礦基光電功能材料的電學性能得到極大提升；
[0021](2)本發(fā)明中，鈣鈦礦和摻雜劑原料成本低，可以全溶液加工處理，制備方法簡單，所使用的設(shè)備簡單。
【具體實施方式】
[0022]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0023]本發(fā)明中，P型摻雜的鈣鈦礦基光電功能材料是以ABX3S基體，有機或者無機摻雜劑為P型摻雜劑，所得到的鈣鈦礦基光電功能材料化學式為
[0024](Al)x(A2)lxB(Xl)y(X2)3y0
[0025]實施例1
[0026]本實施例中，優(yōu)選A1為C_3+，B為Pb2+，XI為I，且x = 1，y = 3，對應(yīng)的鈣鈦礦基光電功能材料化學式為CH3NH3PbI3，該材料制備的具體實施步驟如下:
[0027](1)稱取 0.461g ?bl2m 159g CH3NH3I (按化學計量比 1:1)完全溶解在 0.7ml DMF中得到溶液A ；
[0028](2)稱取0.016g LiC104(相對于CH3NH3PbI3的質(zhì)量分數(shù)為15% )完全溶解在0.3mlDMF中得到溶液B ;
[0029](3)將溶液B加到溶液A中并充分混合得到LiC104摻雜的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液C ;
[0030](4)取適量鈣鈦礦前驅(qū)體溶液C填充于基于碳對電極介觀太陽能電池中，100°C烘干。
[0031]利用上述P型摻雜的鈣鈦礦光電功能材料制備的鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓(V。。)、短路電流(JJ、填充因子(FF)和光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)都得到了大幅度的提高。
[0032]在100mW cm 2模擬太陽光源的測試條件下，基于未摻雜的CH 3NH3PbI3太陽能電池顯示了一個10.17%的光電轉(zhuǎn)化效率，而基于LiC104摻雜的CH3NH3PbI3太陽能電池顯示了一個顯著提高的11.14%的光電轉(zhuǎn)化效率。
[0033]實施例2
[0034]本實施例中，鈣鈦礦基光電功能材料與實施例1相同，其化學式為
[0035]CH3NH3PbI3，A1 為 C_3+，B 為 Pb2+，XI 為 I，且 x = 1，y = 3，但本實施例中摻雜劑與實施例1不同。該實施例的具體實施步驟如下:
[0036](1)稱取 0.461g ?bl2m 159g CH3NH3I (按化學計量比 1:1)完全溶解在 0.7ml DMF中得到溶液A ；
[0037](2)稱取0.0156g LiCF3S03 (相對于CH3NH3PbI3的質(zhì)量分數(shù)為10% )完全溶解在
0.3ml DMF中得到溶液B ；
[0038](3)將溶液B加到溶液A中并充分混合得到LiCF3S03摻雜的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液C ;
[0039](4)取適量鈣鈦礦前驅(qū)體溶液C填充于基于碳對電極介觀太陽能電池中，100°C烘干。
[0040]利用上述P型摻雜的鈣鈦礦光電功能材料制備的鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓(V。。)、短路電流(JJ、填充因子(FF)和光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)都得到了大幅度的提高。
[0041]在100mW cm 2模擬太陽光源的測試條件下，基于未摻雜的CH 3NH3PbI3太陽能電池顯示了一個9.71%的光電轉(zhuǎn)化效率，而基于LiCF3S03摻雜的CH 3NH3PbI3太陽能電池顯示了一個顯