一种使用通用溶剂体系制备钙钛矿单晶的方法

本发明涉及光电材料，主要涉及一种使用通用溶剂体系制备钙钛矿单晶的方法。

背景技术：

1、近年来，有机无机杂化钙钛矿材料得到了空前的关注，其分子通式为abx3，其中a位离子的选择通常是甲胺（ma+）、甲脒（fa+）、cs+，b位离子是pb2+和sn2+，x位离子是卤素阴离子（cl-、br-、i-）。钙钛矿由于其具有优异的光电性能，例如吸收系数高、载流子寿命长、载流子迁移率高等，被广泛应用于太阳能电池、发光二极管、光电探测器、激光器等多种领域。此外，钙钛矿可以通过溶液法制备，节约了生产成本和时间成本，很好地满足了商业化需求，因此具有良好的应用前景。

2、与常规的多晶薄膜相比，钙钛矿单晶具有更低的缺陷密度、更高的载流子扩散长度和更好的稳定性，因此可以实现更高性能的光电器件。如今，钙钛矿单晶通常被用于可见光-紫外光电探测器，x射线探测器，γ射线探测器，其在医疗和航天领域展现出极高的竞争优势。目前，钙钛矿单晶的制备通常可以采用逆温度结晶法、冷却法、反溶剂蒸气辅助结晶法、溶剂蒸发法等。在这些方法中，逆温度结晶法因其具有操作简便、结晶性好、耗时短等优点，成为目前的主流合成方法之一。

3、逆温度结晶法的原理是基于钙钛矿溶解度随温度升高而下降。因此，通过对钙钛矿前驱液加热，使溶质析出结晶，即可得到单晶材料。然而，目前的研究发现，可以实现逆温度结晶的溶剂十分有限，而且针对不同组分的钙钛矿，所需溶剂也不同，例如，mapbi3单晶所需溶剂是γ-丁内酯，mapbbr3单晶所需溶剂是n,n-二甲基甲酰胺。溶剂选择的局限性不利于其在复杂器件上的应用，更不利于其在工业上的大规模制备。

4、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种使用通用溶剂体系制备钙钛矿单晶的方法。首先，该溶剂体系可以用于多种不同组分钙钛矿单晶的制备，减少了制备不同组分钙钛矿时频繁更换溶剂的步骤，降低生产的时间和成本。其次，钙钛矿在该溶剂体系中有较大的溶解度，这有利于工业上大批量制备，提高了生产效率。本发明具体内容如下：

2、第一方面，本发明提供了一种简便有效的通用溶剂体系，该溶剂体系由γ-丁内酯和聚乙二醇组成。所述溶剂体系中，聚乙二醇的比例选择范围是10%-90%；聚乙二醇的分子量选择范围是200-200000。

3、此外，聚乙二醇可以由其他冠醚物质代替，γ-丁内酯可以由n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙腈代替。

4、第二方面，本发明提供使用该通用溶剂体系制备钙钛矿单晶的方法，包括以下步骤：

5、s1、将钙钛矿前驱体溶液的溶质在所述溶剂体系中充分溶解，来配制钙钛矿前驱体溶液；

6、s2、将钙钛矿前驱体溶液加热；

7、s3、从溶液中取出单晶，并清洗、烘干。

8、所述使用通用溶剂体系制备钙钛矿单晶的方法，其中，步骤s1包括以下子步骤：

9、s11、准备钙钛矿前驱体溶液的溶质ax和bx2，其中ax包括mai、fai、csi、mabr、fabr、csbr、macl、facl、cscl，bx2包括pbi2、pbbr2、pbcl2、sni2、snbr2、sncl2；

10、s12、准备钙钛矿前驱体溶液的溶剂体系；

11、s13、将步骤s11的前驱体溶液的溶质溶解于步骤s12中的溶剂体系里，配制成浓度为0.1-3mol/l的钙钛矿前驱体溶液。

12、所述使用通用溶剂体系制备钙钛矿单晶的方法，其中，步骤s11中ax与bx2的物质的量比例范围是2:1到1:2之间。

13、所述使用通用溶剂体系制备钙钛矿单晶的方法，其中，步骤s2包括以下子步骤：

14、s21、将钙钛矿前驱体溶液过滤，随后转移至干净的容器中，并将容器封口；

15、s22、将溶液加热，从而析出结晶，加热的温度可以为40-200°c之间，加热时间为2-48小时。

16、所述使用通用溶剂体系制备钙钛矿单晶的方法，其中，步骤s3包括以下子步骤：

17、s31、将单晶从溶液中取出；

18、s32、清洗晶体表面残留的溶液；

19、s33、将晶体烘干，烘干温度可以为60-150°c，烘干时间可以为2-24小时。

20、所述使用通用溶剂体系制备钙钛矿单晶的方法，其中，步骤s32中清洗所用溶剂包括二氯甲烷、氯仿、氯苯、甲苯、异丙醇、乙酸乙酯、正己烷。

21、第三方面，本发明提供的溶剂体系，具有如下有益效果：

22、1、该溶剂体系可以用于制备多种不同组分的钙钛矿单晶，例如有机无机杂化钙钛矿、全无机钙钛矿、不同卤素的钙钛矿、铅基钙钛矿、锡基钙钛矿等；

23、2、该溶剂体系还可以用于混合离子钙钛矿单晶，例如混合a位离子钙钛矿、混合卤素离子钙钛矿、混合锡铅基钙钛矿等；

24、3、该溶剂体系组成选择多样，例如聚乙二醇的比例、聚乙二醇的型号都具有较大的选择范围；

25、4、该溶剂体系制备钙钛矿单晶所需工艺简便、晶体结晶质量优良；

26、5、该溶剂体系可以与其他工艺结合，从而制备更加复杂的光电器件。

技术特征：

1.一种通用溶剂体系，其特征在于，该溶剂体系由γ-丁内酯和聚乙二醇组成，聚乙二醇的含量范围是10%-90%。

2.使用权利要求1所述通用溶剂体系来制备钙钛矿单晶的方法，包括以下子步骤：

3.根据权利要求2所述的制备钙钛矿单晶的方法，其特征在于，步骤s1包括以下子步骤：

4.根据权利要求3所述的制备钙钛矿单晶的方法，其特征在于，步骤s11中ax与bx2的物质的量比例范围是2:1到1:2之间。

5.根据权利要求2所述的制备钙钛矿单晶的方法，其特征在于，步骤s2包括以下子步骤：

6.根据权利要求2所述的制备钙钛矿单晶的方法，其特征在于，步骤s3包括以下子步骤：

7.根据权利要求6所述的制备钙钛矿单晶的方法，其特征在于，步骤s32中清洗所用溶剂包括二氯甲烷、氯仿、氯苯、甲苯、异丙醇、乙酸乙酯、正己烷。

技术总结本发明公开一种使用通用溶剂体系制备钙钛矿单晶的方法，涉及光电材料领域。通用溶剂体系由γ‑丁内酯和聚乙二醇组成，可以用来制备多种组分钙钛矿单晶。使用该溶剂体系制备钙钛矿单晶包括以下步骤：配制钙钛矿前驱体溶液；将钙钛矿前驱体溶液加热；从溶液中取出单晶，并清洗、烘干。该方法操作简便，可以用来制备大尺寸单晶，以及大规模制备小尺寸单晶。技术研发人员：解凤贤,段仲韬,汪孔祥受保护的技术使用者：复旦大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6