本公開涉及鈣鈦礦光電材料，具體涉及三維鈣鈦礦、低維/三維鈣鈦礦材料、鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、鈣鈦礦作為一種新型光電材料，其太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已從2009年發(fā)現(xiàn)時的3.9％提升至26.1％，可與商業(yè)化晶硅電池效率相媲美。低維(ld)鈣鈦礦為探索穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池(pscs)提供了一個令人興奮的途徑。低維(ld)鈣鈦礦包括零維(0d)、一維(1d)和二維(2d)鈣鈦礦，其中一維(1d)和二維(2d)鈣鈦礦相較于零維(0d)研究較為廣泛，一維(1d)鈣鈦礦具有線狀或管狀結(jié)構(gòu)；二維(2d)鈣鈦礦具有層狀結(jié)構(gòu)，其是將大尺寸有機配體引入到三維(3d)鈣鈦礦材料中，使其沿著某一特定軸剪切成二維(2d)材料。2d鈣鈦礦結(jié)構(gòu)根據(jù)有機配體分子結(jié)構(gòu)的不同，分為ruddlesden–popper(rp)、dion–jacobson(dj)和alternating-cationinterlayer(aci)三種結(jié)構(gòu)，三種結(jié)構(gòu)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式分別為r2an-1bnx3n+1、r′an-1bnx3n+1或者r″anbnx3n+1。以上化學(xué)式中r為大尺寸單胺有機陽離子，r′為大尺寸雙胺有機陽離子，r″為胍基陽離子(ga+)，n值代表相鄰有機層之間金屬鹵化物正八面體[bx6]4-的層數(shù)。由此可見，低維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)具有多樣性。而目前所知的低維鈣鈦礦品種及應(yīng)用研究還比較少，所以需要進(jìn)一步開發(fā)新的低維間隔有機分子，擴(kuò)大低維鈣鈦礦的品種及應(yīng)用研究范圍。

2、而關(guān)于三維鈣鈦礦，由于其對水較敏感，進(jìn)一步影響pscs能量轉(zhuǎn)換效率，所以期望增加三維鈣鈦礦的疏水性，以得到具有高能量轉(zhuǎn)換效率的三維鈣鈦礦太陽能電池具有研究意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本公開提供一種低維鈣鈦礦、低維/三維鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦太陽能電池及制備方法，解決目前低維鈣鈦礦品種少及三維鈣鈦礦因疏水性原因影響三維鈣鈦礦太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的問題。

2、本公開方法的核心是應(yīng)用苯并咪唑或其衍生物合成低維鈣鈦礦單晶新品種，同時，直接在三維鈣鈦礦薄膜上，使苯并咪唑或其衍生物與薄膜表面殘余碘化鉛相互作用自發(fā)形成低維鈣鈦礦單晶相，最終形成低維/三維異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦薄膜，并以低維/三維異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦薄膜作為鈣鈦礦太陽能電池的吸光層，得到具有高能量轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽能電池。

3、基于上述方法核心，第一方面，本公開所述的低維鈣鈦礦單晶，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式是：

4、(r)2(m)npbni3n+1；

5、式中，r為苯并咪唑或其衍生物的碘化物；m為ch3nh3、ch(nh2)2或cs；n為無機層數(shù)。

6、在本公開及可能的實施例中，所述苯并咪唑衍生物是6-甲基苯并咪唑或6-三氟甲基苯并咪唑。

7、第二方面，第一方面所述低維鈣鈦礦單晶的制備方法，包括：

8、使鉛源、氫碘酸及次磷酸的混合溶液在100-120℃下攪拌反應(yīng)1-2h后，繼續(xù)添加苯并咪唑或其衍生物的碘化物，繼續(xù)攪拌反應(yīng)1-2h，在反應(yīng)結(jié)束的體系降溫過程中析出晶體，獲取所述晶體，得到所述低維鈣鈦礦單晶。

9、在本公開及可能的實施例中，所述鉛源為氧化鉛、碘化鉛或醋酸鉛；所述碘化物為ch3nh3i、ch(nh2)2i或csi；按摩爾比計，鉛源：苯并咪唑或其衍生物：碘化物：hi：h3po2＝n：0.5：n：2n：2n，n＝1、2或3；以及/或，

10、所述苯并咪唑或其衍生物的碘化物的制備方法，包括：

11、按化學(xué)計量摩爾比為1:1的比例，使苯并咪唑或其衍生物與質(zhì)量含量為50-60％的氫碘酸在室溫下攪拌反應(yīng)2-3h，得到所述苯并咪唑或其衍生物的碘化物。

12、第三方面，所述的低維/三維鈣鈦礦薄膜，其薄膜結(jié)構(gòu)是：

13、以三維鈣鈦礦薄膜為基礎(chǔ)，在所述三維鈣鈦礦薄膜表面形成有第一方面所述的低維鈣鈦礦單晶。

14、第四方面，第三方面所述低維/三維鈣鈦礦薄膜的制備方法，包括：

15、制備三維鈣鈦礦薄膜；

16、將苯并咪唑或其衍生物的碘化物配制成有機溶液，將所述有機溶液旋涂在所述三維鈣鈦礦薄膜上，所述苯并咪唑或其衍生物的碘化物與所述三維鈣鈦礦薄膜上的殘余pbi2自發(fā)反應(yīng)形成低維鈣鈦礦單晶，得到所述低維/三維鈣鈦礦薄膜。

17、在本公開及可能的實施例中，所述制備三維鈣鈦礦薄膜的方法，包括：

18、將碘化鉛溶于第一有機溶劑中，得到碘化鉛前驅(qū)體溶液；將碘化甲脒、氯化甲銨溶于第二有機溶劑中得到有機鹵化物前驅(qū)體溶液；

19、在基板上旋涂所述碘化鉛前驅(qū)體溶液后在60-75℃下退火1-3min，得到碘化鉛薄膜，將所述有機鹵化物前驅(qū)體溶液旋涂在所述碘化鉛薄膜上，在140-160℃下退火10-20min，得到所述三維鈣鈦礦薄膜。

20、在本公開及可能的實施例中，利用有機溶劑將所述苯并咪唑或其衍生物的碘化物配制成所述有機溶液；

21、所述第一有機溶劑是質(zhì)量比為dmf:dmso＝9.5：0.5的混合溶劑，得到所述碘化鉛前驅(qū)體溶液的濃度為1.3m；

22、所述第二有機溶劑是異丙醇；

23、所述有機溶劑是異丙醇、n,n-二甲基甲酰胺中一種或兩者混合溶劑。

24、第五方面，所述的鈣鈦礦太陽能電池，包括：

25、吸光層，所述吸光層由權(quán)利要求5所述的低維/三維鈣鈦礦薄膜構(gòu)成。

26、第六方面，第五方面所述的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，包括：

27、取透明導(dǎo)電基底，在所述透明導(dǎo)電基底上制備電子傳輸層或空穴傳輸層，按照權(quán)利要求6-8任一項所述低維/三維鈣鈦礦薄膜的制備方法在所述電子傳輸層或空穴傳輸層上制備吸光層，在所述吸光層上制備電子傳輸層或空穴傳輸層后真空蒸鍍金屬電極，得到所述鈣鈦礦太陽能電池。

28、本發(fā)明具有的有益效果：

29、本公開提供了一種低維鈣鈦礦單晶，具體應(yīng)用有機間隔分子苯并咪唑或其衍生物合成得到，從而拓寬了低維鈣鈦礦的品種范圍；同時，將低維鈣鈦礦單晶應(yīng)用于三維鈣鈦礦材料中，對三維鈣鈦礦材料進(jìn)行修飾改良，制備得到具有結(jié)晶度更高、疏水性更強的低維/三維鈣鈦礦薄膜，進(jìn)一步將低維/三維鈣鈦礦薄膜作為鈣鈦礦太陽能電池的吸光層，最終達(dá)到提高鈣鈦礦太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的目的。

技術(shù)特征：

1.一種低維鈣鈦礦單晶，其特征在于，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式是：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低維鈣鈦礦單晶，其特征在于：

3.權(quán)利要求1或2所述低維鈣鈦礦單晶的制備方法，其特征在于，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述低維鈣鈦礦單晶的制備方法，其特征在于：

5.一種低維/三維鈣鈦礦薄膜，其特征在于，所述薄膜結(jié)構(gòu)是：

6.權(quán)利要求5所述低維/三維鈣鈦礦薄膜的制備方法，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低維/三維鈣鈦礦薄膜的制備方法，其特征在于，所述制備三維鈣鈦礦薄膜的方法，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的低維/三維鈣鈦礦薄膜的制備方法，其特征在于：

9.一種鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，包括：

10.權(quán)利要求9所述的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本公開涉及一種低維鈣鈦礦單晶、低維/三維鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦太陽能電池及制備方法，所述低維鈣鈦礦單晶，具體應(yīng)用有機間隔分子苯并咪唑或其衍生物合成得到，從而拓寬了低維鈣鈦礦的品種范圍；同時，將低維鈣鈦礦單晶應(yīng)用于三維鈣鈦礦材料中，對三維鈣鈦礦材料進(jìn)行修飾改良，制備得到具有結(jié)晶度更高、疏水性更強的低維/三維鈣鈦礦薄膜，進(jìn)一步將低維/三維鈣鈦礦薄膜作為鈣鈦礦太陽能電池的吸光層，最終達(dá)到提高鈣鈦礦太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的目的。

技術(shù)研發(fā)人員：張懿強,劉雪茹,王世珩,李鵬偉,宋延林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：鄭州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2