CN105883905B - 一种光电材料CsPbBr3的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光电材料CsPbBr3的制备方法，包括将含有Pb2+的HBr水溶液和Cs+的HBr水溶液在一定温度下混合，待反应结束后，将反应产物经过洗涤及真空干燥，最终得到CsPbBr3多晶粉末。本发明通过控制Cs+/Pb2+的摩尔比来调整溶液的离子强度，克服了CsPbBr3在有水环境下的不稳定问题，从而可以在水溶液中制备出单相的CsPbBr3材料。该方法制备工艺简单，所用原料价格低廉，适合批量化生产。

Description

一种光电材料CsPbBr3的制备方法
技术领域
本发明属于半导体材料制备工艺技术领域，具体地涉及一种光电材料CsPbBr3的制备方法。
背景技术
CsPbBr3半导体材料是一种新型的光电材料，具有载流子迁移率高、扩散长度长、光吸收能力强、发光效率高以及光稳定性好等优点。由于其良好的光电性能，CsPbBr3的制备及其光电性能研究成为近几年的研究热点。目前，研究者已经采用CsPbBr3制备了太阳能电池，LED，单光子探测器，以及CsPbBr3量子点激光器。CsPbBr3在光电及光伏领域有着潜在的巨大应用价值。
CsPbBr3在有水环境下极不稳定，会迅速和水反应生成CsPb2Br5。因此，常规的制备CsPbBr3材料的方法是在无水条件下进行的。常见的做法是将CsBr和PbBr2分别溶解于DMF、DMSO等有机溶剂中形成溶液，然后将两种溶液混合，从而得到CsPbBr3。这种制备方法工艺简单，但是要用到价格较为昂贵的有机试剂。同时，无水的制备环境具有很大的局限性，限制了CsPbBr3的批量化生产。因此，开发原料价格低廉，且能在水溶液中制备CsPbBr3的方法具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种光电材料CsPbBr3的制备方法，该方法合成工艺简单，所用原料价格较低廉，适宜于 批量生产。
一种光电材料CsPbBr3的制备方法，将含有Pb2+的HBr水溶液与含有Cs+的HBr水溶液经溶液法反应得到沉淀物，将沉淀物洗涤干燥处理后即得光电材料CsPbBr3。
进一步的，所述的Cs2+与Pb2+的摩尔比为(2～10):1。
具体的，所述的溶液法的反应温度为30～50℃，溶液法的反应时间为1～10h。
更具体的，所述的沉淀物用无水乙醇或无水乙醚洗涤。
再具体的，所述的洗涤后的沉淀物在30～60℃下真空干燥处理。
另外，配置含有Pb2+的HBr水溶液时所用的原料为Pb(CH3COO)2或者Pb(NO3)2，其中Pb2+与HBr的摩尔比为1:(2～15)。
具体的，配置含有Pb2+的HBr水溶液的温度为20～50℃。
还有，配置含有Cs+的HBr水溶液时所用的原料为CsBr，其中CsBr/H2O/HBr的摩尔比为1:(1～20):(1～20)。
具体的，配置含有Cs+的HBr水溶液的温度为20～50℃。
本发明提供的制备光电材料CsPbBr3的方法，具有以下优点：
(1)本发明通过控制Cs+与Pb2+的比例，可以防止最终产物CsPbBr3在水溶液中转变为CsPb2Br5，从而克服了CsPbBr3在有水环境下的不稳定问题，可以在水溶液中制备出单相的CsPbBr3。该方法制备工艺简单，所用原料价格低廉，最终产物纯度高，能够批量化生产CsPbBr3；
(2)本发明的制备原料简单易得，本发明优选的制备方法是将Pb(CH3COO)2在30℃下溶解于HBr溶液中，其中Pb(CH3COO)2中的Pb2+与HBr 的摩尔比为1:(2～15)；将CsBr在30℃下溶解于HBr溶液中，CsBr/H2O/HBr的摩尔比为1:(1～20):(1～20)；将得到的两种溶液按照Cs2+与Pb2+的摩尔比为(2～5):1混合，在40℃下反应1h后得到CsPbBr3沉淀，然后滤出CsPbBr3沉淀，将其用无水乙醇洗涤后，在温度为50℃的真空烘箱中进行干燥处理，最后得到CsPbBr3。
附图说明
图1为实施例一中所制备CsPbBr3的X射线衍射图谱；
图2为实施例一中所制备CsPbBr3的UV-Vis吸收光谱；
图3为实施例二中所制备CsPbBr3的X射线衍射图谱；
图4为对比例一中所制备样品的X射线衍射图谱；
图5为对比例二中所制备样品的X射线衍射图谱；
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
在研究过程中发现，通过调整水溶液的离子强度，可以抑制CsPbBr3在水中的不稳定性问题，基于这个发现，发明人开发了简单的溶液法来制备CsPbBr3。本发明通过调整水溶液的离子强度，克服了CsPbBr3在有水环境下的不稳定问题，从而可以在水溶液中制备出单相的CsPbBr3材料。该制备方法工艺简单，所用原料价格低廉，适合批量化生产。
本发明制备CsPbBr3的方法是将Pb(CH3COO)2或者Pb(NO3)2在一定温度下溶解于HBr水溶液中。然后在其中加入CsBr和HBr的混合溶液，在一定温度下反应得到CsPbBr3沉淀，然后滤出CsPbBr3沉淀，用无水乙醇反复洗涤后，在真空条件下进行干燥处理，最终得到CsPbBr3。具体的制备光电材料 CsPbBr3的方法，包括以下步骤:
1)将Pb(CH3COO)2或Pb(NO3)2加入到HBr溶液中，其中Pb2+的与HBr的摩尔比为1:(2～15)，然后在20～50℃下溶解，得到澄清溶液A；
2)将CsBr加入到HBr溶液中，CsBr/H2O/HBr的摩尔比为1:(1～20):(1～20)，在20～50℃下溶解，得到澄清溶液B；
3)将步骤2)得到的澄清溶液B与步骤1)得到的澄清溶液A混合，Cs+与Pb2+的摩尔比为(2～10):1，在30～50℃下反应1～10h，得到橙红色的沉淀；
4)将步骤3)得到的沉淀过滤，用无水乙醇或无水乙醚洗涤，在30～60℃下真空干燥，最终得到CsPbBr3粉末；
步骤1)中HBr溶液的质量百分浓度为48％。
以下是本发明的实施例。
实施例一：
首先，将0.758g Pb(CH3COO)2在30℃下溶解于8mL的HBr溶液中；将0.851g CsBr在30℃下溶解于由4mL H2O和8mL HBr溶液组成的混合溶液中。将配置好的两种溶液混合,其中Cs+与Pb2+的摩尔比为2:1，在40℃下反应1h后得到橙红色CsPbBr3沉淀，将沉淀过滤后用无水乙醇反复洗涤3次，再将洗涤产物置入真空烘箱中，在50℃下干燥3h，得到CsPbBr3。
本实施例中提到的HBr溶液的质量百分浓度为48％。
图1为所制备CsPbBr3的X射线衍射图谱。所有的衍射峰均对应于CsPbBr3的标准XRD图谱，说明纯度高，无杂相。
图2为所制备CsPbBr3的UV-Vis吸收光谱，由图2可以计算出，所制备CsPbBr3的禁带宽度为2.23eV，进一步证明了所制备的样品为单相的CsPbBr3半导体材料。由于其高纯度及优良的光电性能，所制备的CsPbBr3可作为制备光电器件以及光伏器件的吸光材料。
实施例二：
首先，将0.758g Pb(CH3COO)2在40℃下溶解于8mL的HBr溶液中；将2.553g CsBr在30℃下溶解于由12mL H2O和12mL HBr溶液组成的混合溶液中。将配置好的两种溶液混合,其中Cs+与Pb2+的摩尔比为6:1，在40℃下反应1h后得到橙红色CsPbBr3沉淀，将沉淀过滤后用无水乙醇反复洗涤3次，再将洗涤产物置入真空烘箱中，在60℃下干燥2h，得到CsPbBr3。
本实施例中提到的HBr溶液的质量百分浓度为48％。
图3为实施例二所制备CsPbBr3的X射线衍射图谱。所有的衍射峰均对应于CsPbBr3的标准XRD图谱，说明纯度高，无杂相。
采用本发明所提出的方法来制备CsPbBr3时，必须精确控制混合溶液中Cs2+与Pb2+的摩尔比为(2～10):1。如果Cs2+与Pb2+的摩尔比过高时，最终产物仍然为单相CsPbBr3，但是会损耗初始原料CsBr，造成浪费；如果Cs2+与Pb2+的摩尔比过低时，会由于溶液中离子强度的变化，导致反应生成的CsPbBr3部分转变为CsPb2Br5，甚至完全转变为CsPb2Br5。
以下将以两个对比例做具体说明。
对比例一：
首先，将0.758g Pb(CH3COO)2在30℃下溶解于8mL HBr溶液中。将0.425g CsBr在30℃下溶解于由4mL H2O和8mL HBr水溶液组成的混合 溶液中。将配置好的两种溶液混合，其中Cs+与Pb2+的摩尔比为1:1，在40℃下反应1h后得到沉淀，将沉淀过滤后用无水乙醇反复洗涤多次，再将洗涤产物置入真空烘箱中，在50℃下干燥3h，得到最终产物。
本实施例中提到的HBr溶液的质量百分浓度为48％。
图4为对比例一所制备产物的X射线衍射图谱。可以看出，产物中除了CsPbBr3外，还有CsPb2Br5存在，说明样品不纯，部分CsPbBr3转变为CsPb2Br5。这是因为当前驱体溶液中Cs+与Pb2+的摩尔比低于2:1时，由于溶液离子强度的降低，导致CsPbBr3与水反应而生成CsPb2Br5。
对比例二：
首先，将0.379g Pb(CH3COO)2在30℃下溶解于6mL HBr溶液中。将0.425g CsBr在30℃下溶解于由4mL H2O和8mL HBr水溶液组成的混合溶液中。将配置好的两种溶液混合，其中Cs+与Pb2+的摩尔比为1:2，在40℃下反应1h后得到沉淀，将沉淀过滤后用无水乙醇反复洗涤多次，再将洗涤产物置入真空烘箱中，在50℃下干燥3h，得到最终产物。
本实施例中提到的HBr溶液的质量百分浓度为48％。
图5为对比例二所制备产物的X射线衍射图谱。可以看出，产物中包括CsPbBr3和CsPb2Br5两相，说明样品不纯，部分CsPbBr3转变为CsPb2Br5。

Claims (6)

1.一种光电材料CsPbBr3的制备方法，其特征在于，将含有Pb2+的HBr水溶液与含有Cs+的HBr水溶液经溶液法反应得到沉淀物，将沉淀物洗涤干燥处理后即得光电材料CsPbBr3；
所述的Cs2+与Pb2+的摩尔比为(2～10):1；
所述的溶液法的反应温度为30～50℃，溶液法的反应时间为1～10h；
所述的沉淀物用无水乙醚洗涤。
2.如权利要求1所述的光电材料CsPbBr3的制备方法，其特征在于，所述的洗涤后的沉淀物在30～60℃下真空干燥处理。
3.如权利要求1所述的光电材料CsPbBr3的制备方法，其特征在于，配置含有Pb2+的HBr水溶液时所用的原料为Pb(CH3COO)2或者Pb(NO3)2，其中Pb2+与HBr的摩尔比为1:(2～15)。
4.如权利要求3所述的光电材料CsPbBr3的制备方法，其特征在于，配置含有Pb2+的HBr水溶液的温度为20～50℃。
5.如权利要求1所述的光电材料CsPbBr3的制备方法，其特征在于，配置含有Cs+的HBr水溶液时所用的原料为CsBr，其中CsBr/H2O/HBr的摩尔比为1:(1～20):(1～20)。
6.如权利要求5所述的光电材料CsPbBr3的制备方法，其特征在于，配置含有Cs+的HBr水溶液的温度为20～50℃。
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