大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體的制備方法,將PbBr2用HBr溶液溶解,得到Pb2+-HBr溶液;將HBr溶液與CH3NH2溶液按摩爾比1:1混合,在0℃下反應(yīng)2h,得到CH3NH2Br溶液;然后將上述得到的Pb2+-HBr溶液與CH3NH2Br溶液混合,置于70℃下預(yù)熱48h,得到CH3NH3PbBr3過飽和溶液,過濾,得到澄清的黃色液體,于70℃的水浴中預(yù)熱12h,降溫至50℃,恒溫蒸發(fā)得到CH3NH3PbBr3晶體。本發(fā)明工藝中HBr溶液既參與原料合成,又是晶體生長(zhǎng)的溶劑,具有合成工藝簡(jiǎn)單,副反應(yīng)少的優(yōu)點(diǎn);生長(zhǎng)裝置簡(jiǎn)易,能生長(zhǎng)出高質(zhì)量、大尺寸的晶體。
【專利說明】大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體的制備方法,是一種采用溶液蒸發(fā)法 人工培養(yǎng)晶體的方法,屬晶體材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002] 從2009年到2013年,CH3NH3PbX3(X=Cl,Br,I)鈣鈦礦型太陽能電池的功率轉(zhuǎn)化 效率從3. 8%到超過15%,在世界范圍內(nèi),對(duì)鈣鈦礦型太陽能電池的研究達(dá)到空前熱度,入選 《Science》雜志公布的2013年度十大科技突破。這類材料兼有無機(jī)組元高的載流子遷移率 和有機(jī)組元良好的易柔性加工性能,能高效地吸收從可見光到波長(zhǎng)800nm的廣譜光,還具 有能在Ti0 2,Al203等多孔材料上通過溶液化學(xué)反應(yīng)直接合成的特點(diǎn),適合涂覆工藝等優(yōu)勢(shì)。 從商業(yè)價(jià)值的角度,其光伏過程的能量損耗(〇.4eV)與晶體硅太陽能電池相當(dāng),遠(yuǎn)低于傳 統(tǒng)的DSSCs和有機(jī)太陽能電池(約為0. 7eV - 0. 8eV)。另外,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料在吸收藍(lán)色和 綠色光子方面比硅更好。很多光伏太陽能領(lǐng)域的頂級(jí)科學(xué)家樂觀地預(yù)言CH3NH 3PbX3(X=Cl, Br,I)等鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料將成為新一代高效全固態(tài)太陽能電池的首選。然而,從實(shí)用的角 度,這類太陽能電池的性能還亟待優(yōu)化。由于CH 3NH3PbX3(X=Cl,Br,I)存在多變的結(jié)構(gòu)及生 長(zhǎng)技術(shù)的困難,對(duì)這種晶體的結(jié)構(gòu)化學(xué)、結(jié)晶化學(xué)、許多獨(dú)特的光學(xué),電學(xué)和磁學(xué)性能等方 面還存在諸多疑問。對(duì)于CH 3NH3PbBr3單晶,目前檢索得到的最大尺寸為2_。為了獲得準(zhǔn) 確的材料結(jié)構(gòu)和性能信息,我們采用溶液生長(zhǎng)法制備較大尺寸的CH 3NH3PbBr3單晶,為研究 CH3NH3PbBr3材料的物化性能,光學(xué)性能,電學(xué)性能及光電性能等提供材料基礎(chǔ),同時(shí)通過這 些性能的研究,為優(yōu)化CH 3NH3PbBr3太陽能電池的性能提供理論依據(jù)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 針對(duì)目前大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體(CH3NH3PbBr 3晶體)的制備技術(shù)的欠缺, 為了獲得大尺寸的CH3NH3PbBr 3單晶,特提出新的CH3NH3PbBr3單晶的培育方法。
[0004] 大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體的制備方法,采用溶液蒸發(fā)法,包括如下步驟: 1) 將0. 01摩爾的PbBr2用25 ml質(zhì)量濃度為48%的HBr溶液溶解,配制Pb2+-HBr溶 液; 2) 將HBr溶液與CH3NH2溶液按摩爾比1:1混合,在0?10°C下反應(yīng)2h,得到CH 3NH2Br 溶液; 3) 將步驟1)得到的Pb2+-HBr溶液與步驟2)得到的CH3NH2Br溶液混合,其中Pb 2+與 CH3NH2fc的摩爾比為1: (1?2),優(yōu)選為1:1.5;置于60?701:下預(yù)熱48?7211,得到 CH3NH3PbBr3過飽和溶液,過濾,得到澄清的黃色液體作為CH 3NH3PbBr3晶體生長(zhǎng)的母液; 4) 將步驟3)得到的母液于飽和溫度下預(yù)熱12h-24h,然后以1°C /h的速率降溫至 50°C,得到橙紅色CH3NH3PbBr3晶體,在50°C恒溫蒸發(fā)至溶液液面高于晶體表面2-3mm ; 5) 在50°C恒溫狀態(tài)下,取出橙紅色CH3NH3PbBr3晶體,除去晶體表面的溶液,得到尺寸 達(dá)5mm的大尺寸CH 3NH3PbBr3晶體,即為大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體。
[0005] 步驟1)和步驟2)中HBr溶液的質(zhì)量百分濃度為48%。
[0006] 步驟1)中采用將0. 01摩爾的PbBr2用25 ml,48%的HBr溶液溶解,配制Pb2+-HBr 溶液,該步驟中PbBr2與HBr的比例關(guān)系決定了能否獲得飽和溶液及晶體的尺寸; 步驟2)中CH3NH2溶液的質(zhì)量百分濃度為40%。
[0007] 步驟4 )中降溫速率為1 °C /h。
[0008] 有益效果: 1) 本發(fā)明工藝,HBr溶液既參與原料合成,又是晶體生長(zhǎng)的溶劑,具有合成工藝簡(jiǎn)單, 副反應(yīng)少的優(yōu)點(diǎn); 2) 本發(fā)明以PbBr2, HBr溶液,CH3NH2溶液為原料,生長(zhǎng)裝置簡(jiǎn)易,能生長(zhǎng)出高質(zhì)量、大尺 寸的晶體,生長(zhǎng)出的晶體尺寸商達(dá)5mm。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明CH3NH3PbBr3晶體制備工藝流程圖; 圖2 CH3NH3PbBr3晶體樣品圖片; 圖3 CH3NH3PbBr3晶體的XRD圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例,將本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)敘述如下: 實(shí)驗(yàn)所用試劑的純度為 PbBr2 (溶質(zhì)) 純度 99. 99% HBr (溶液) 重量百分濃度48% CH3NH2 (溶液) 重量百分濃度40% 實(shí)施例1 : 大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體的制備方法,步驟如下: 1) 稱取0. Olmol的PbBr2,用25ml,質(zhì)量濃度為48%的HBr溶液在室溫下溶解,配制 Pb2+-!ffir 溶液; 2) 按照HBr與CH3NH2的摩爾比為1: 1,分別量取質(zhì)量濃度48%的HBr溶液,質(zhì)量濃度 40%的CH3NH2溶液各2. 32ml,1. 72ml,將這兩個(gè)溶液混合并且密封,置于0°C冰水浴中2h,得 到CH3NH2Br溶液; 3 )在室溫下,將Pb2+-HBr溶液與CH3NH2Br溶液混合,底部即刻出現(xiàn)橙紅色固體物質(zhì),將 該溶液置于70°C水浴中預(yù)熱48h ; 4) 保持溶液溫度為70°C情況下,過濾除去橙紅色固體物質(zhì)。將得到的澄清的黃色液體 作為CH3NH3PbBr 3晶體生長(zhǎng)的母液; 5) 將上述母液放置于70°C的水浴中預(yù)熱12h ; 6) 設(shè)計(jì)降溫程序,降溫速率為1°C /h,將溶液溫度下降至50°C,在50°C恒溫蒸發(fā),蒸發(fā) 至溶液液面高于晶體表面2mm ; 7) 在50°C恒溫條件下,析出液體,將底部橙紅色晶體小心取出; 8) 用過濾紙吸干晶體表面的溶液,得到尺寸為5mm的CH3NH3PbBr3晶體。
[0011] 圖1為CH3NH3PbBr3晶體制備流程圖,圖2為獲得CH3NH 3PbBr3晶體照片,晶體尺寸 較大,晶面光潔。圖3為CH3NH3PbBr3晶體的XRD圖譜,證實(shí)得到晶體為立方晶系CH 3NH3PbBr3 晶體。
[0012] 以上結(jié)果說明,采用以上溶液法蒸發(fā)晶體生長(zhǎng)工藝,可以獲得較大尺寸,高質(zhì)量的 CH3NH3PbBr3 晶體。
【權(quán)利要求】
1. 大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體的制備方法,其特征是在于:采用溶液蒸發(fā)法,包 括如下步驟: 1) 將0. 01摩爾的PbBr2用25 mL質(zhì)量濃度為48%的HBr溶液溶解,配制Pb2+-HBr溶 液; 2) 將HBr溶液與CH3NH2溶液按摩爾比1:1混合,在0?10°C下反應(yīng)2h,得到CH 3NH2Br 溶液; 3) 將步驟1)得到的Pb2+-HBr溶液與步驟2)得到的CH3NH2Br溶液混合,其中Pb 2+與 CH3NH2fo·的摩爾比為1: (1?2);置于60?70°C下預(yù)熱48?72h,得到CH3NH3PbBr3過飽 和溶液,過濾,得到澄清的黃色液體作為CH 3NH3PbBr3晶體生長(zhǎng)的母液; 4) 將步驟3)得到的母液于60?70°C下預(yù)熱12h-24h,然后降溫至50°C,得到橙紅色 CH3NH3PbBr3晶體,在50°C恒溫蒸發(fā)至溶液液面高于晶體表面2-3mm ; 5) 在50°C恒溫狀態(tài)下,取出橙紅色CH3NH3PbBr3晶體,除去晶體表面的溶液,得到尺寸 達(dá)5mm的大尺寸CH 3NH3PbBr3晶體,即大尺寸|丐鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體的制備方法,其特征是在 于:步驟2)中HBr溶液的質(zhì)量百分濃度為48%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體的制備方法,其特征是在 于: 步驟2)中CH3NH2溶液的質(zhì)量百分濃度為40%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體的制備方法,其特征是在 于: 步驟4)中降溫以1°C /h的速率下降。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸鈣鈦礦結(jié)構(gòu)甲胺溴鉛晶體的制備方法,其特征是在 于: 步驟3)中Pb2+與CH3NH2Br的摩爾比為1:1. 5。
【文檔編號(hào)】C30B7/02GK104141166SQ201410340812
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】蘇靜, 仲坤, 繆菊紅, 雷勇, 史鵬飛, 朱萬祺 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)