CN106449990A

CN106449990A - 一种钙钛矿太阳电池用卤化铯铅的生产方法

Info

Publication number: CN106449990A
Application number: CN201611099163.5A
Authority: CN
Inventors: 胡兴兰; 刘炳光; 李建生; 王少杰; 王璐瑶; 韩秋坡; 凌小芳
Original assignee: Tianjin Vocational Institute
Current assignee: Tianjin Vocational Institute
Priority date: 2016-12-04
Filing date: 2016-12-04
Publication date: 2017-02-22

Abstract

本发明涉及一种采用卤化铵铅和碳酸铯进行固液二相化学反应，低成本生产高稳定性和易分散的卤化铯铅的方法。将卤化铵铅、碳酸铯和C1‑C4脂肪醇按摩尔比为1：0.5‑0.55：10‑20混合均匀，在70‑110℃下缓慢加热反应2‑6h，使碳酸铯与卤化铵铅反应转化为卤化铯铅，并使副产物碳酸铵分解挥发，冷却反应产物至50‑60℃，加入极性溶剂作为卤化铯铅结晶的助溶剂和加入硅油作为表面处理剂，继续搅拌悬浮溶液6‑12h，形成粒径均匀和表面疏水的卤化铯铅结晶粒子。本发明具有工艺简单和环保安全的特点，容易进行扩大和产业化生产，产品可作为钙钛矿太阳电池光吸收层材料组分和空穴传输层材料。

Description

一种钙钛矿太阳电池用卤化铯铅的生产方法

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿太阳电池用卤化铯铅的生产方法，特别是一种采用卤化铵铅和碳酸铯进行固液二相化学反应，低成本生产高稳定性和易分散的卤化铯铅的方法，属于新能源和新材料领域。

技术背景

基于有机金属卤化物钙钛矿结构光吸收材料制备的太阳能电池被称为钙钛矿太阳电池，目前其光电转换效率已超过28%，未来可望达到50%，将颠覆现有太阳电池技术成为市场主流产品。钙钛矿太阳电池通常是由透明导电玻璃、致密层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属背电极五部分组成。钙钛矿光吸收层的厚度一般为200-600nm，主要作用是吸收太阳光并产生电子-空穴对，并能高效传输电子-空穴对。

钙钛矿光吸收材料典型分子式为AMX₃，其中, A代表一价的阳离子， M代表金属阳离子，一般是铅、锡或锗， X代表卤素阴离子。目前国内外已对金属阳离子和卤素阴离子的研究比较透彻，而对一价阳离子的组成、结构和作用机制的研究才刚刚起步，重点研究的一价阳离子包括CH₃NH₃ ⁺、HNCH₂NH₃ ⁺、Cs⁺和NH₄ ⁺。

虽然目前全无机阳离子形成的钙钛矿光吸收材料卤化铯铅CsPbX₃的性能远不如有机-无机共价的钙钛矿光吸收材料卤化甲胺铅CH₃NH₃PbX₃的性能，单独应用还需要不断地优化性能，因其热稳定性和环境稳定性好，同样引起相关科学工作者的关注。可作为钙钛矿太阳电池光吸收材料的一个组分或空穴传输材料应用推广，以发挥其稳定性优势。

1958 年首次报道了CsPbX₃无机铅卤钙钛矿材料的晶体结构，当时并未发现其荧光性质，1997 年开始了对CsPbX₃发光性能的研究。目前，随着钙钛矿太阳电池研究热潮的到来，带动了CsPbX₃无机铅卤钙钛矿发光材料的迅速发展，合成研究也得到广泛重视。在CsPbCl₃、CsPbBr₃、CsPbI₃和CsPbF₃无机铅卤钙钛矿中，CsPbBr₃的荧光量子效率最高约为90%，且稳定性最好，因此，人们将研究重心更多地放在 CsPbBr₃上。

济南大学在中国发明专利申请CN105384189（2016-03-09）中公开将卤化铅和十八烯混合，然后加入油酸和油胺，加热到130-200℃，然后加入铯前驱溶液，保温反应得到卤化铯铅纳米棒；吉林大学在中国发明专利申请CN105523581（2016-04-27）中公开将羧酸铯的十八烯溶液加入含有油酸、油胺的溴化铅十二烷溶液中制备CsPbX₃纳米晶；南京理工大学在中国发明专利申请CN105331362（2016-02-17）中公开将碘化铯和碘化铅溶于二甲基甲酰胺溶剂中，加入表面活性剂油酸和油胺制备CsPbX₃；中科院合肥分院在中国发明专利申请CN106006722（2016-10-12）中公开将碘化铯和碘化铅在γ-丁内酯溶剂中78.5-72.5℃下混合反应，制备碘化铯铅单晶纳米线；华中科技大学在中国专利申请CN105384188（2016-03-09）中公开用氢溴酸为溶剂，以卤化铯和卤化铅在水相中共沉淀制备CsPbBr₃粉体。

目前无机铅卤钙钛矿CsPbX₃的主要制备方法是以卤化铅和卤化铯为原料的溶液法，一般是采用高纯原料和有机溶剂体系，生成CsPbX₃和Cs₂PbX₄混合物，产品分离和提纯比较困难，实验产量还局限在克的量级，很难扩大制备和应用在商业生产上。

卤化铯铅光吸收材料不同于高纯化学试剂，不一定要求产品具有高纯度和元素组成完全符合分子式中的计量比。因为功能材料中含有的杂质通常可分为有害杂质、无害杂质或有益杂质三类，需要根据实际应用要求合理区分和对待材料中所含杂质，控制无害杂质在一定范围内，尽量保留有益杂质，尽量去除有害杂质。所以，钙钛矿太阳电池光吸收材料研究开发必须与材料的应用测试结合起来进行，以确定出最适用的具体技术指标。

目前卤化铯铅已成为钙钛矿太阳电池的重要原材料，实验室研究中采用的卤化铯铅一般是研究人员自制或定制的，存在价格昂贵、各批次产品质量相差很大和光电转换性能不稳定的问题，重要原因之一是自制的卤化铯铅可能部分是以PbX₂·CsX复盐形式存在，需要经过严格的退火处理才能形成特定晶型的钙钛矿结构和发挥出优良的光电转换效能，一般的实验室又不具备真空高温退火条件，研究开发和产业化应用特别需要无需退火处理就能够直接使用的卤化铯铅产品。

钙钛矿太阳电池产业化取决于电池的光电转换效率、性能稳定性和原材料成本等多种因素。随着钙钛矿太阳电池技术突破和适应未来广阔的应用市场发展，需要专业化的钙钛矿太阳电池原材料配套供应，以克服现有生产方法存在的生产成本高、产品质量不稳定、大量有机溶剂回收困难、安全环保问题突出和难以大规模生产的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种钙钛矿太阳电池用卤化铯铅的生产方法，特别是一种采用卤化铵铅和碳酸铯进行固液二相化学反应，低成本生产高稳定性和易分散的卤化铯铅的方法，以满足安全环保和大规模生产的需要，技术方案包括以下步骤：

（1）在搅拌下向玻璃反应器中分别加入氢卤酸、卤化铵、乙酸铅和乙酸，控制原料配料摩尔比为：氢卤酸：卤化铵：乙酸铅：乙酸 = 2.1-2.2：1.1-1.2：1：20-40，混合均匀后加热升温至100-120℃下回流，使生成的卤化铅沉淀完全溶解，然后真空蒸馏分离物料中的乙酸和水至析出卤化铵铅结晶，冷却、离心分离卤化铵铅结晶，并用C1-C4脂肪醇洗涤，所述氢卤酸为氢氟酸、盐酸、氢溴酸、氢碘酸或其混合物，所述卤化铵为氟化铵、氯化铵、溴化铵、碘化铵或其混合物；

（2）将卤化铵铅的结晶和碳酸铯的C1-C4脂肪醇溶液混合均匀，控制原料配料摩尔比为：卤化铵铅：碳酸铯：脂肪醇= 1：0.5-0.55：10-20，在70-110℃下缓慢加热反应2-6h，使碳酸铯与卤化铵铅反应转化为卤化铯铅，并使副产物碳酸铵分解挥发，至反应物中没有气体放出为止，所述C1-C4脂肪醇是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇或其混合物；

（3）冷却反应产物至50-60℃，加入结晶助溶剂和结晶表面处理剂，控制原料配料质量比为：脂肪醇：助溶剂：表面处理剂= 100：5-10：0.5-2，继续搅拌卤化铯铅的悬浮溶液6-12h，形成大小均匀和表面疏水的卤化铯铅结晶粒子，所述结晶助溶剂是γ-丁内酯、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、乙腈或其混合物，所述结晶表面处理剂是甲基硅油、氨基硅油、羟基硅油；

（4）过滤分离生成的产品，在60-80℃下真空干燥得到大小均匀和表面疏水的卤化铯铅结晶产品，进一步回收有机溶剂中的产品，收率为95%-97%；

（5）精制产品的化学组成符合CsPbX₃计量比，CsPbX₃含量为99.5%-99.7%， NH₄X含量为0.01%-0.05%，水分含量为0.01%-0.05%。

本发明中采用碳酸铯和卤化铵铅进行固液二相化学反应, 低成本生产高稳定性和易分散的卤化铯铅产品，制备过程主要反应如下：

Pb(CH₃COO)₂+2HX → PbX₂+ 2CH₃COOH

PbX₂+ NH₄X → NH₄PbX₃

2NH₄PbX₃+ Cs₂CO₃→2CsPbX₃ +2NH₃+ H₂O+ CO₂

2NH₄X + Cs₂CO₃→2CsX+2NH₃+ H₂O+ CO₂

在以上化学反应过程中，首先乙酸铅和氢卤酸反应生成卤化铅沉淀，沉淀包裹了原料乙酸铅或氢卤酸，严重影响卤化铅纯度，所以在反应过程中需要加入了能够溶解乙酸铅的乙酸溶剂回流，防止了原料在乙酸铅结晶中的夹杂。卤化铵分子中的氮原子有孤电子对，卤化铅分子中的铅原子有空轨道，它们能够结合形成配位化合物卤化铵铅（NH₄PbX₃），从而促进卤化铅的溶解。通常条件下卤化铵铅不稳定，可以看作是卤化铅和卤化铵的复盐（PbX₂·NH₄X），当采用乙酸和水共沸蒸馏的方式完全脱去复盐中的水分后，能够形成钙钛矿结构的卤化铵铅的稳定化合物。

卤化铵铅分子是一种高效的有机合成催化剂，它能够与碳酸铯进行复分解反应，生成更加稳定的卤化铯铅分子。为了使反应进行完全和提高产品纯度，需要逐步提高反应温度使生成的(NH₄)₂CO₃分解除去，特别要控制升温速度，以防止高温条件下的原料分解。为了提高生产收率，氢卤酸、卤化铵和碳酸铯相对于铅原子的投料摩尔比都是适当过量的，卤化铵和碳酸铯在反应条件下可以生成卤化铯副产物，对于钙钛矿太阳电池原料属于无害杂质，反应完成后过量原料和副产物可以通过后处理分离除去。

卤化铯铅易溶于极性有机溶剂，不溶于醇和醚，溶于水时容易发生分解。本发明中采用在添加了强极性有机助溶剂的脂肪醇溶剂中悬浮搅拌卤化铯铅的方式提纯产品，卤化铯铅在混合溶剂中通过溶解-结晶平衡形成粒径均匀的结晶粒子，而杂质直接溶于溶剂中，从而高收率得到高纯度产品。微量硅油分子吸附在卤化铯铅结晶粒子表面提高了其疏水性，贮存时不吸收空气中的水分，大大提高了其环境稳定性，微量硅油杂质并不影响其使用性能，必要时可以通过溶剂洗涤除去。

本发明中采用原料碳酸铯、乙酸铅、氢氟酸、盐酸、氢溴酸、氢碘酸、氟化铵、氯化铵、溴化铵、碘化铵、异丙醇、γ-丁内酯、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、乙腈、甲基硅油、氨基硅油和羟基硅油均为市售化学试剂。

本发明的有益效果体现在：

（1）本发明采用卤化铵铅和碳酸铯固液二相化学反应，具有工艺简单和环保安全的特点，容易进行扩大和产业化生产；

（2）本发明卤化铯铅生产方法采用固液二相化学反应，反应副产物能够气相分离，容易得到高纯度产品；

（3）本发明产品可作为钙钛矿太阳电池光吸收层材料组分和空穴传输材料，可简化太阳电池生产工艺和降低生产成本。

具体实施方式

实施例1

在玻璃反应器中分别加入质量百分浓度为30%的盐酸51.1g(0.42mol)、氯化铵11.8g(0.22mol)、三水乙酸铅76.3g(0.2mol)和和乙酸240g(4mol)，将以上物料混合均匀，加热到100-120℃下回流，使生成的氯化铅沉淀完全溶解，然后真空蒸馏分离乙酸和水至析出氯化铵铅的结晶，冷却、离心分离氯化铵铅结晶，并用C1-C4脂肪醇洗涤。

将得到的氯化铵铅结晶、碳酸铯34.2g(0.105mol)和异丙醇121.2g(2mol)混合均匀，在80-85℃下缓慢加热反应2h，使碳酸铯与氯化铵铅反应转化为氯化铯铅，并使副产物碳酸铵分解挥发，至反应物中没有气体放出为止。

冷却反应产物至50-60℃，加入二甲基甲酰胺溶剂10 g和氨基硅油1.5 g，继续搅拌氯化铯铅悬浮溶液12h，形成大小均匀和表面疏水的氯化铯铅结晶粒子。过滤分离生成的产品，在60-80℃下真空干燥得到大小均匀和表面疏水的氯化铯铅结晶产品85.7g，进一步回收有机溶剂中的产品，收率为95.5%， CsPbCl₃含量为99.5%， NH₄Cl含量为0.02%，水分含量为0.02%，放置三月外观和质量没有发生变化，产品结晶具有良好的分散性。

实施例2

在玻璃反应器中分别加入质量百分浓度为45%的氢溴酸79.1g(0.44mol)、溴化铵21.6g(0.22mol)、三水乙酸铅76.3g(0.2mol)和乙酸360g(6mol)，将以上物料混合均匀，加热到100-120℃下回流，使生成的溴化铅沉淀完全溶解，然后真空蒸馏分离乙酸和水，生成溴化铵铅结晶，冷却、离心分离溴化铵铅结晶，并用无水乙醇洗涤。

将得到的溴化铵铅结晶、碳酸铯35.8g(0.11mol)和无水乙醇184g(4mol)混合均匀，在70-80℃下缓慢加热反应2h，使碳酸铯与溴化铵铅反应转化为溴化铯铅，并使副产物碳酸铵分解挥发，至反应物中没有气体放出为止。

冷却反应产物至50-60℃，加入γ-丁内酯溶剂10 g和二甲基硅油2g，继续搅拌溴化铯铅悬浮溶液12h，形成大小均匀和表面疏水的溴化铯铅结晶粒子。过滤分离生成的产品，在60-80℃下真空干燥得到大小均匀和表面疏水的溴化铯铅结晶产品111.7g，进一步回收有机溶剂中的产品，收率为96%， CsPbBr₃含量为99.5%， NH₄Br含量为0.03%，水分含量为0.02%，放置三月外观和质量没有发生变化，产品结晶具有良好的分散性。

实施例3

在玻璃反应器中分别加入质量百分浓度为55%的氢碘酸102.3g(0.44mol)、碘化铵21.6g(0.22mol)、三水乙酸铅76.3g(0.2mol)和乙酸480g(8mol)，将以上物料混合均匀，加热到100-120℃下回流，使生成的碘化铅沉淀完全溶解，然后真空蒸馏分离乙酸和水，生成碘化铅铵结晶，冷却、离心分离碘化铵铅结晶，并用无水乙醇洗涤。

将得到的碘化铵铅结晶、碳酸铯35.8g(0.11mol)和正丁醇222.3g(3mol)混合均匀，在90-110℃下缓慢加热反应4h，使碳酸铯与碘化铵铅反应转化为碘化铯铅，并使副产物碳酸铵分解挥发，至反应物中没有气体放出为止。

冷却反应产物至50-60℃，加入二甲亚砜溶剂10 g和羟基硅油2g，继续搅拌碘化铯铅悬浮溶液12h，形成大小均匀和表面疏水的碘化铯铅结晶粒子。过滤分离生成的产品，在60-80℃下真空干燥得到大小均匀和表面疏水的碘化铯铅结晶产品139.7g，进一步回收有机溶剂中的产品，收率为97%， CsPbI₃含量为99.5%， NH₄I含量为0.03%，水分含量为0.02%，放置三月外观和质量没有发生变化，产品结晶具有良好的分散性。

Claims

1.一种钙钛矿太阳电池用卤化铯铅的生产方法，其特征在于采用卤化铵铅和碳酸铯进行固液二相化学反应，低成本生产高稳定性和易分散的卤化铯铅，以满足安全环保和大规模生产的需要，技术方案包括以下步骤：

（3）冷却反应产物至50-60℃，加入结晶助溶剂和结晶表面处理剂，控制原料配料质量比为：脂肪醇：助溶剂：表面处理剂= 100：5-10：0.5-2，继续搅拌卤化铯铅的悬浮溶液6-12h，形成粒径均匀和表面疏水的卤化铯铅结晶粒子，所述结晶助溶剂是γ-丁内酯、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、乙腈或其混合物，所述结晶表面处理剂是甲基硅油、氨基硅油、羟基硅油；

（4）过滤分离生成的产品，在60-80℃下真空干燥得到粒径均匀和表面疏水的卤化铯铅结晶产品，进一步回收有机溶剂中的产品，收率为95%-97%；

（5）精制产品化学组成符合CsPbX₃计量比，CsPbX₃含量为99.5%-99.7%， NH₄X含量为0.01%-0.05%，水分含量为0.01%-0.05%，放置三月外观和质量没有发生变化，产品结晶具有良好的分散性。