CN113980670A - 固态钙钛矿团簇及其制备方法、光电器件 - Google Patents
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Abstract
本申请属于光电技术领域,尤其涉及一种固态钙钛矿团簇及其制备方法,以及一种光电器件。其中,固态钙钛矿团簇的制备方法,包括步骤:将有机羧酸、有机胺配体与钙钛矿原材料配置成前驱体溶液;将前驱体溶液与反溶剂进行混合处理,得到表面钝化的钙钛矿团簇溶液;在钙钛矿团簇溶液中添加成壳物质,在钙钛矿团簇表面形成壳层,分离得到核壳结构的固态钙钛矿团簇。本申请固态钙钛矿团簇的制备方法,通过在前驱体溶液中添加有机羧酸和有机胺配体;并在钙钛矿团簇表面形成壳层,使得钙钛矿团簇可以固态形式分离析出,且钙钛矿团簇具有对抗外界环境因素水和氧的稳定性,提高钙钛矿团簇在光电器件中的应用前景。
Description
技术领域
本申请属于光电技术领域,尤其涉及一种固态钙钛矿团簇及其制备方法,以及一种光电器件。
背景技术
纳米团簇是通过物理或化学作用力键合在一起的、相对稳定的微观或亚微观原子或分子聚集体。因其小尺寸和表面可塑性,在自组装材料、光电器件、生物标记、医疗及太阳能电池等领域成为研究的热点。纳米团簇的形貌对其电子结构和光学性质有很大的影响,通过调节半导体纳米团簇的微观结构,可设计出具有特定性能的材料。同时,纳米团簇可以作为构筑单元,通过常规的化学路线或其他自组装策略可制备出良好对称性和几何形状的超结构材料,并可进一步转化为具有特殊结构的纳米材料。
钙钛矿材料的晶体生长过程涉及从原材料→基团→团簇→量子点、薄膜和块体材料等多尺度相变过程。钙钛矿团簇作为介于钙钛矿材料微观结构(原子、分子)与宏观物质(量子点、薄膜和块体)之间的多核聚集体,是关联两者之间的理想模型。钙钛矿团簇具有量子效应、比表面积(S/V)高、尺寸和组分可调、易于对表面缺陷进行功能化处理等独特的理化性质而备受关注。钙钛矿团簇,在以固体钙钛矿团簇形式进行表征分析和相关光电器件中有广泛的应用前景,如:钙钛矿太阳能电池、发光二极管(LEDs)、光电探测器、可见光通信、催化和激光等的应用领域。
目前,纯的钙钛矿团簇由于尺寸极小,很难通过离心处理获得固体钙钛矿团簇。并且当钙钛矿团簇以溶液形式干燥成为固体时,在干燥过程中钙钛矿团簇往往会团聚生长成更大尺寸的晶体结构,而无法直接获得固体钙钛矿团簇。在溶液体系中的钙钛矿团簇会严重影响其在光电器件应用中的载流子复合和离子迁移,进而影响其在光电器件领域的应用。另外,钙钛矿团簇的强离子性、高表面能及表面配体易迁移等特性,导致钙钛矿团簇对环境高度敏感,在自然环境中非常不稳定。尤其是当暴露在高湿度、高温、强光和富氧等情况下,钙钛矿团簇的分解过程就会被加速,存储、运输对环境要求高,限制其应用。因此,从原子分子尺度上研究固态钙钛矿团簇的合成工艺,理解钙钛矿团簇从溶液体系到固态结构演变过程,将有助于指导、设计和开发新兴光电技术领域的先进钙钛矿团簇新材料。
发明内容
本申请的目的在于提供一种固态钙钛矿团簇及其制备方法,以及一种光电器件,旨在一定程度上解决现有钙钛矿团簇稳定性差,难以以固态的形式分离存在的问题。
为实现上述申请目的,本申请采用的技术方案如下:
第一方面,本申请提供一种固态钙钛矿团簇的制备方法,包括以下步骤:
将有机羧酸、有机胺配体与钙钛矿原材料配置成前驱体溶液;
将所述前驱体溶液与反溶剂进行混合处理,得到表面钝化的钙钛矿团簇溶液;
在所述钙钛矿团簇溶液中添加成壳物质,在钙钛矿团簇表面形成壳层,分离得到核壳结构的固态钙钛矿团簇。
第二方面,本申请提供一种固态钙钛矿团簇,所述固态钙钛矿团簇为核壳结构,包括钙钛矿团簇内核和包覆在所述内核外表面的壳层,所述内核与所述壳层之间连接有配体。
第三方面,本申请提供一种光电器件,所述光电器件中包含有上述方法制备的固态钙钛矿团簇,或者上述的固态钙钛矿团簇。
本申请第一方面提供的固态钙钛矿团簇的制备方法,在钙钛矿的前驱体溶液中添加的有机羧酸中羰基与八面体中心阳离子存在的强烈配位作用,以及羧酸烷基链之间的分子间作用力,可降低[BX6]八面体聚集的驱动力,抑制八面体的快速聚集,从而钝化钙钛矿团簇表面,抑制钙钛矿团簇快速团聚生长成较大尺寸的钙钛矿量子点、薄膜或块体。有机胺配体,通过静电引力与八面体边缘的阴离子键合,可钝化减少钙钛矿团簇表面卤素阴离子和有机阳离子缺陷,形成有机间隔层,使得间隔层的介电常数与八面体片层失配,从而使[BX6]八面体层形成天然的量子阱,提高钙钛矿团簇中载流子的迁移效率;并且,结合在钙钛矿团簇表面的有机胺配体在壳层制备过程中可与成壳物质结合,成为钙钛矿团簇与壳层的连接桥梁,提高壳层与钙钛矿团簇的结合稳定性。通过前驱体溶液与反溶剂的混合反应,制得表面钝化的钙钛矿团簇溶液;然后添加成壳物质在钙钛矿团簇表面形成壳层,不仅增强了钙钛矿团簇对抗外界环境因素水和氧的稳定性,同时有利于钙钛矿团簇以固态形式分离析出,提高钙钛矿团簇在光电器件中的应用前景。
本申请第二方面提供的固态钙钛矿团簇,通过钙钛矿团簇表面配体和壳层的协同作用,改善了钙钛矿团簇的存储环境,提高了钙钛矿团簇的光学性能和在环境中的稳定性,使其同时具有优异的稳定性,以及强离子性、高表面能、高量子效应等光学特性,为钙钛矿团簇基相关光电器件的应用研究提供重要的原材料,且具有十分重要的作用。可应用于以固体钙钛矿团簇形式进行表征分析的相关光电器件中,如钙钛矿太阳能电池、发光二极管(LEDs)、光电探测器、可见光通信、催化和激光等的应用领域。
本申请第三方面提供的光电器件,由于包含有上述固态钙钛矿团簇,包括钙钛矿团簇内核和包覆在内核外表面的壳层,内核与壳层之间连接有配体,同时具有优异的环境稳定性,以及强离子性、高表面能、高量子效应等光学特性。因而,使得光电器件也具有优异的光电性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的固态钙钛矿团簇的制备方法的流程示意图;
图2是本申请实施例2和3提供的固态钙钛矿团簇的结构示意图;
图3是本申请实施例1提供的固态钙钛矿团簇的紫外吸收光谱和荧光发射光谱;
图4是本申请实施例2提供的固态钙钛矿团簇的电镜形貌图(左)和粒径尺寸分布直方图(右);
图5是本申请实施例3提供的固态钙钛矿团簇的荧光发射光谱图;
图6是本申请实施例1提供的固态钙钛矿团簇的荧光量子产率图。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
本申请中,术语“和/或”,描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B的情况。其中A,B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中,“至少一个”是指一个或者多个,“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达,是指的这些项中的任意组合,包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如,“a,b或c中的至少一项(个)”,或,“a,b和c中的至少一项(个)”,均可以表示:a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c,其中a,b,c分别可以是单个,也可以是多个。
应理解,在本申请的各种实施例中,上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后,部分或全部步骤可以并行执行或先后执行,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例说明书中所提到的相关成分的量不仅仅可以指代各组分的具体含量,也可以表示各组分间量的比例关系,因此,只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,用来将目的如物质彼此区分开,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如,在不脱离本申请实施例范围的情况下,第一XX也可以被称为第二XX,类似地,第二XX也可以被称为第一XX。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
如附图1所示,本申请实施例第一方面提供一种固态钙钛矿团簇的制备方法,包括以下步骤:
S10.将有机羧酸、有机胺配体与钙钛矿原材料配置成前驱体溶液;
S20.将前驱体溶液与反溶剂进行混合处理,得到表面钝化的钙钛矿团簇溶液;
S30.在钙钛矿团簇溶液中添加成壳物质,在钙钛矿团簇表面形成壳层,分离得到核壳结构的固态钙钛矿团簇。
本申请实施例第一方面提供的固态钙钛矿团簇的制备方法,在钙钛矿的前驱体溶液中添加的有机羧酸和有机胺配体,可使钙钛矿团簇表面钝化,既有利于调控钙钛矿团簇的聚集生长速率,又有利于提高钙钛矿团簇的稳定性。具体地,有机羧酸中羰基与八面体中心阳离子存在的强烈配位作用,以及羧酸烷基链之间的分子间作用力,可降低[BX6]八面体聚集的驱动力,抑制八面体的快速聚集,从而钝化钙钛矿团簇表面,抑制钙钛矿团簇快速团聚生长成较大尺寸的钙钛矿量子点、薄膜或块体。有机胺配体,一方面能够通过静电引力与八面体边缘的阴离子键合,不但进一步调控钙钛矿团簇的聚集生长速率,而且可钝化减少钙钛矿团簇表面卤素阴离子和有机阳离子缺陷,形成有机间隔层,使得间隔层的介电常数与八面体片层失配,从而使[BX6]八面体层形成天然的量子阱,提高钙钛矿团簇中载流子的迁移效率;另一方面,结合在钙钛矿团簇表面的有机胺配体在壳层制备过程中可与成壳物质结合,成为钙钛矿团簇与壳层的连接桥梁,提高壳层与钙钛矿团簇的结合稳定性。通过前驱体溶液与反溶剂的混合反应,制得表面钝化的钙钛矿团簇溶液;然后添加成壳物质在钙钛矿团簇表面形成壳层,不仅增强了钙钛矿团簇对抗外界环境因素水和氧的稳定性,同时有利于钙钛矿团簇以固态形式分离析出,提高钙钛矿团簇的在光电器件中的应用前景。
在一些实施例中,上述步骤S10中,将有机羧酸、有机胺配体与钙钛矿原材料配置成前驱体溶液,其中,钙钛矿原材料包括卤化二价金属和有机卤化铵或者卤化碱金属。本申请实施例制备的钙钛矿团簇是由参与合成的钙钛矿原材料中A、B和X三种离子组成,其中,A位通常是无机或有机阳离子中的至少一种,如Cs+或Rb+等一价无机阳离子,以及如甲基胺(MA+,CH3NH3 +)、乙基胺(EA+,CH3CH2NH3 +)或甲脒(FA+,CH(NH2)2 +)离子等一价有机阳离子中的至少一种;B位通常是二价金属阳离子,如Pb2+、Sn2+、Ge2+、Ga2+、Cu2+、Ni2+、Co2+和Mn2+等;X位通常是一价卤素,如I-、Br-、Cl-、F-等,也可以是假卤素阴离子,如SCN-和BF4 -等,钙钛矿团簇的精确结构组成还尚不明确。B位的二价金属阳离子与X位的卤素离子通过配位形成[BX6]八面体,A位无机或有机阳离子分布在八面体共顶连接产生的空隙中,配位数为12。
在一些实施例中,卤化二价金属包括卤化铅、卤化锡、卤化锗、卤化镓、卤化镍、卤化锰、卤化钴、卤化铜中的至少一种;这些卤化二价金属可与有机卤化铵或者卤化碱金属自组装,将铅、锡、锗、镓、镍、钴、锰、铜等二价金属离子引入到钙钛矿团簇结构中。在一些优选实施例中,卤化二价金属选自卤化铅、卤化锡中的至少一种,如氯化铅、溴化铅、碘化铅、氯化锡、溴化锡、碘化锡等。
在一些实施例中,有机卤化铵包括CH3NH3Cl、CH3NH3Br、CH3NH3I、CH2(NH3)2Cl、CH2(NH3)2Br、CH2(NH3)2I、CH3CH2NH3Cl、CH3CH2NH3Br、CH3CH2NH3I中的至少一种;这些有机卤化铵盐通过与卤化二价金属自组装后可形成钙钛矿材料,钙钛矿材料中引入CH3NH3 +、CH2(NH3)2 +、CH2CH2NH3 +等有机铵根离子可有效提高钙钛矿材料的热稳定性能。
在一些实施例中,卤化碱金属包括CsCl、CsBr、CsI、RbCl、RbBr、RbI中的至少一种;这些卤化碱金属通过与卤化二价金属自组装后可形成钙钛矿材料,钙钛矿材料中引入Cs+、Rb+等碱金属离子可有效提高钙钛矿材料的热稳定性能。
在一些实施例中,有机溶剂包括二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种,这些溶剂对有机羧酸、有机胺配体与钙钛矿原材料等均有较好的溶解分散作用。在一些实施例中,有机溶剂中包括二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺,进一步地,二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为(1~9):(1~9)。本申请实施例采用的有机溶剂,不但对各原料组分溶解效果好,有利于各组分之间相互接触反应。具体地,二甲基亚砜中的S=O键易于与钙钛矿团簇中B位阳离子配位,形成中间体,防止钙钛矿[BX6]八面体如[PbI6]等的快速聚集。而N,N-二甲基甲酰胺是钙钛矿前驱体的良溶剂,其作用与二甲基亚砜相似,但其中C=O与B位阳离子的作用弱,且沸点低,对钙钛矿团簇的生长效果不佳。因此,采用二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂。在一些具体实施例中,二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺的体积比包括但不限于9:1、4:1、1:1、7:3、3:2、2:3、3:7、1:4、1:9等,优选2:3、1:1或1:4。
在一些实施例中,有机羧酸包括丙酸、正丁酸、正戊酸、十八碳酸、十八碳烯酸、苯甲酸、苯乙酸中的至少一种,进一步优选为十八碳烯酸或苯乙酸,或者十八碳烯酸和苯乙酸。本申请实施例在前驱体溶液中添加的有机羧酸含有羰基,可与八面体中心阳离子形成强烈配位作用,同时羧酸烷基链之间也存在分子间作用力,因而可降低[BX6]八面体聚集的驱动力,抑制八面体的快速聚集,从而钝化钙钛矿团簇表面,抑制钙钛矿团簇快速团聚生长成较大尺寸的钙钛矿量子点、薄膜或块体。
在一些实施例中,前驱体溶液中有机羧酸的添加量与钙钛矿原材料中卤化二价金属的摩尔量之比为(0.7~1.5):1,该配比即可有效钝化钙钛矿团簇表面,调控钙钛矿团簇的团聚速率,使溶液中钙钛矿维持团簇形态。若前驱体溶液中有机羧酸的添加量过多,则会破坏反应体系的酸碱平衡,过度抑制钙钛矿团簇形成,致使反应较难生成钙钛矿团簇,溶液中钙钛矿材料维持在分子或原子的微观结构;若前驱体溶液中有机羧酸的添加量过少,则不利于钝化钙钛矿团簇表面,钙钛矿团簇容易快速团聚生长成较大尺寸的钙钛矿量子点、薄膜或块体等宏观结构,从而无法获得钙钛矿团簇。在一些实施例中,前驱体溶液中有机羧酸的添加量与钙钛矿原材料中卤化二价金属的摩尔量之比包括但不限于(0.7~0.8):1、(0.9~1.0):1、(1.1~1.2):1、(1.3~01.4):1、(1.4~1.5):1等,优选(1.1~1.2):1。
在一些实施例中,有机胺配体包括十八碳胺、十八碳烯胺、苯甲胺、苯乙胺中的至少一种,进一步优选为十八碳烯胺或苯乙胺,或者优选为十八碳烯胺和苯乙胺。本申请实施例在前驱体溶液中添加的这些有机配体,既能够通过静电引力与八面体边缘的阴离子键合,进一步调控钙钛矿团簇的聚集生长速率,同时钝化减少钙钛矿团簇表面卤素阴离子和有机阳离子缺陷,形成有机间隔层,使得间隔层的介电常数与八面体片层失配,从而使[BX6]八面体层形成天然的量子阱,提高钙钛矿团簇中载流子的迁移效率。另外,结合在钙钛矿团簇表面的有机胺配体在壳层制备过程中可与成壳物质结合,成为钙钛矿团簇与壳层的连接桥梁,提高壳层与钙钛矿团簇的结合稳定性。
在一些实施例中,有机胺配体与卤化二价金属的摩尔比为(0.2~0.8):1;有机胺配体的该用量配比,便能同时有效调控钙钛矿结构、团簇聚集生长速率,以及表面钙钛矿团簇与壳层的结合性能。若前驱体溶液中有机胺配体添加量过低,则不利于调节钙钛矿结构及团簇的聚集速率,同时也不利于调节钙钛矿团簇与壳层的结合性能;若前驱体溶液中有机胺配体添加量过高,则同样不利于钙钛矿团簇形成。在一些实施例中,有机胺配体与卤化二价金属的摩尔比包括但不限于(0.2~0.8):1、(0.3~0.7):1、(0.4~0.6):1、(0.3~0.6):1等,优选(0.3~0.6):1。
在一些实施例中,配置前驱体溶液的步骤包括:将钙钛矿原材料溶解于有机溶剂后,添加有机羧酸和有机胺配体,室温下混合搅拌10~30分钟,充分溶解得到表面钝化的前驱体溶液。在一些实施例中,配制前驱体溶胶时,钙钛矿原材料中卤化二价金属和有机卤化铵或者卤化碱金属的物质的量之比可以是(0.2~1):1,进一步优选为(0.3~0.6):1。在一些实施例中,卤化二价金属在有机溶剂中的初始浓度优选为0.2~1mol/L,前驱体溶液中卤化二价金属的浓度约为1mol/L、有机卤化铵或者卤化碱金属的浓度约为0.2mol/L,有机羧酸和有机胺配体的优选浓度分别为0.2~0.4mol/L和0.3~0.6mol/L。
在一些实施例中,上述步骤S20中,将前驱体溶液与反溶剂进行混合处理1~2分钟,反应时间太短反应不充分,反应时间过长容易造成团簇生成量子点,通过有机羧酸和有机胺配体调控钙钛矿团簇的聚集速率,即在溶液中生成表面钝化的钙钛矿团簇。
在一些实施例中,反溶剂包括正己烷、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷中的至少一种,进一步优选为甲苯或者三氯甲烷,或者优选为甲苯和三氯甲烷;这些反溶剂可促使前驱体溶液中钙钛矿原料组分相互反应形成微观钙钛矿材料,通过微观钙钛矿材料继续生长,形成多核聚集体的钙钛矿团簇,且团簇表面结合有机配体,表面被钝化,钙钛矿团簇稳定性好。
在一些实施例中,前驱体溶液与反溶剂的体积比为(0.2~1):(2~10);进一步地为,(0.3~0.6):(4~8),通过不同前驱体溶液与反溶剂的体积比实现不同的过饱和度从而改变钙钛矿材料生成的尺寸与数目,控制反应体系缓慢生成小尺寸的钙钛矿团簇。
在一些实施例中,上述步骤S30中,成壳物质选自:硅烷偶联剂、氨基酸、双亲磷脂、聚噻吩、聚甲基丙烯酸二甲氨乙酯中的至少一种,这些成壳物质均可在钙钛矿团簇表面聚合形成壳层,提高钙钛矿团簇的稳定性。
进一步地,成壳物质选自硅烷偶联剂,一方面,硅烷偶联剂在反应体系中溶解效果好;另一方面,硅烷偶联剂遇水后可产生Si-OH,Si-OH与Si-OH之间发生脱水反应,最后在钙钛矿团簇表面生成SiO2壳层;再一方面,硅烷偶联剂具有较强的位阻效应,可有效降低溶液中的钙钛矿分子迁移到团簇表面的速率,从而使钙钛矿团簇生长速度变缓,防止钙钛矿团簇生长成量子点、薄膜、块体等钙钛矿材料。在一些具体实施例中,硅烷偶联剂包括正硅酸乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、氨基化笼形倍半硅氧烷中的至少一种,进一步去优选为3-氨丙基三乙氧基硅烷或3-氨丙基三甲氧基硅烷,或者优选为3-氨丙基三乙氧基硅烷和3-氨丙基三甲氧基硅烷。本申请实施例选择的这些带有胺根的硅烷偶联剂,利用质子化的胺根离子可钝化团簇表面的卤素离子,进一步减少表面缺陷,提高钙钛矿团簇的荧光量子产率。这些硅烷偶联剂,既可通过水解反应在钙钛矿团簇表面形成二氧化硅保护壳层;又可与钙钛矿团簇表面的有机配体结合,从而使得硅烷偶联剂在钙钛矿团簇表面聚集形成保护壳层,提高成壳效率。
在一些实施例中,钙钛矿团簇表面形成壳层的步骤包括:将成壳物质添加到钙钛矿团簇溶液中后,混合处理2~5小时,使成壳物质聚合,静置20~30分钟,使聚合的成壳物质在钙钛矿团簇表面形成包覆壳层。在一些实施例中,在钙钛矿团簇表面形成壳层的步骤包括:将成壳物质添加到钙钛矿团簇溶液中后,混合处理2~5小时,在混合处理过程中,通过鼓入空气使硅烷偶联剂等成壳物质与环境中的水分子发生水分解反应产生Si-OH,Si-OH与Si-OH之间发生脱水反应,进而在钙钛矿团簇表面形成SiO2外壳保护层,静置20~30分钟,使壳层稳定,分离得到核壳结构的固态钙钛矿团簇。壳层的引入不仅增强了钙钛矿团簇的稳定性,同时有利于钙钛矿团簇以固态形式包覆析出。
在一些实施例中,成壳物质的添加量与卤化二价金属的摩尔比为(0.2~1):1,该配比充分确保了壳层对钙钛矿团簇的包覆效果,既能在钙钛矿团簇表面形成完整的保护壳层,又避免形成过厚的壳层,降低载流子迁移传输效率。在一些实施例中,成壳物质的添加量与卤化二价金属的摩尔比包括但不限于(0.2~1):1、(0.3~0.9):1、(0.4~0.8):1、(0.5~0.7):1等。
在一些实施例中,在钙钛矿团簇溶液中添加成壳物质,在钙钛矿团簇表面形成壳层后,采用离心分离的方式将核壳结构的钙钛矿团簇固体从溶液中分离出来,通过选择合适的离心转速,可去除溶液中的一系列杂质,如:未反应的钙钛矿原组分和有机配体,以及壳层化合物产生的副产物等,即可纯化得到核壳结构的固态钙钛矿团簇。在一些实施例中,离心分离的转速为4000~12000r/min,进一步地为6000~10000r/min。
如附图2所示,本申请实施例第二方面提供一种固态钙钛矿团簇,该固态钙钛矿团簇为核壳结构,包括钙钛矿团簇内核和包覆在内核外表面的壳层,内核与壳层之间连接有配体。
本申请实施例第二方面提供的固态钙钛矿团簇为核壳结构,一方面,包覆在钙钛矿团簇内核外表面的壳层,不但增强了钙钛矿团簇的稳定性,而且有利于钙钛矿团簇以固态形式包覆析出,使钙钛矿团簇能以固态形式稳定的存在与大气环境中,包覆壳层可有效阻止环境中水、氧和光照等固有的不稳定性因素对内核钙钛矿团簇的侵蚀,从而改善钙钛矿团簇的稳定性和光学性能。另一方面,内核与壳层之间连接有配体,结合的有机配体不但能够钝化减少钙钛矿团簇表面卤素阴离子和有机阳离子缺陷,提供钙钛矿团簇的稳定性,而且有机配体在钙钛矿团簇和壳层之间形成连接桥梁,提高内核钙钛矿团簇和壳层的结合稳定性。本申请实施例提供的固态钙钛矿团簇,具有量子限域效应,使其具有独特窄的发光光谱、带隙可调、粒子尺寸分布均一等优异的半导体特性。并且通过钙钛矿团簇表面配体和壳层的协同作用,改善了钙钛矿团簇的存储环境,提高了钙钛矿团簇的光学性能和在环境中的稳定性,使其同时具有优异的稳定性,以及强离子性、高表面能、高量子效应等光学特性,为钙钛矿团簇基相关光电器件的应用研究提供重要的原材料,且具有十分重要的作用。可应用于以固体钙钛矿团簇形式进行表征分析的相关光电器件中,如钙钛矿太阳能电池、发光二极管(LEDs)、光电探测器、可见光通信、催化和激光等的应用领域。
本申请实施例固态钙钛矿团簇可通过上述实施例方法制得。
在一些实施例中,配体的原材料包括十八碳胺、十八碳烯胺、苯甲胺、苯乙胺中的至少一种,通过选择合适有机配体,不但能够钝化减少了钙钛矿团簇表面卤素阴离子和有机阳离子缺陷,而且有机配体在钙钛矿团簇和壳层之间形成连接桥梁,提高内核钙钛矿团簇和壳层的结合稳定性。
在一些实施例中,固态钙钛矿团簇的粒径大小为1~3nm;该尺寸范围基本上可确定为纯的钙钛矿团簇,过小无法生成,过大则容易生成片状或球型尺寸较大的量子点。同时,该粒径大小有效确保了钙钛矿团簇的强离子性、高表面能、高量子效应等光学特性。在一些具体实施例中,固态钙钛矿团簇的粒径大小可以是1nm~2nm、2~3nm等。
在一些实施例中,固态钙钛矿团簇中,钙钛矿团簇内核与壳层的质量比为1:(0.04~0.30),该配比充分确保了壳层对钙钛矿团簇的包覆效果,既能在钙钛矿团簇表面形成完整的保护壳层,又避免形成过厚的壳层降低载流子迁移传输效率。
在一些实施例中,壳层由正硅酸乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、氨基化笼形倍半硅氧烷中的至少一种硅烷偶联剂形成,一方面,这些硅烷偶联剂与环境中的水分子发生水分解反应可在钙钛矿团簇表面原位形成SiO2外壳保护层;另一方面,这些硅烷偶联剂可与钙钛矿团簇表面的有机配体结合,从而提高内核钙钛矿团簇与壳层的结合稳定性,壳层的引入不仅增强了钙钛矿团簇的稳定性,同时有利于钙钛矿团簇以固态形式包覆析出。
本申请实施例第三方面提供一种光电器件,包含有上述方法制备的固态钙钛矿团簇,或者上述的固态钙钛矿团簇。
本申请实施例第三方面提供的光电器件,由于包含有上述固态钙钛矿团簇,包括钙钛矿团簇内核和包覆在内核外表面的壳层,内核与壳层之间连接有配体,同时具有优异的环境稳定性,以及强离子性、高表面能、高量子效应等光学特性。因而,使得光电器件也具有优异的光电性能。
在一些实施例中,光电器件包括但不限于钙钛矿太阳能电池、发光二极管(LEDs)、光电探测器、可见光通信器件等。
为使本申请上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解,以及本申请实施例固态钙钛矿团簇及其制备方法的进步性能显著的体现,以下通过多个实施例来举例说明上述技术方案。
实施例1
一种固态钙钛矿团簇,其制备包括步骤:
①按物质的量比为0.4:1的甲基溴化胺(CH3NH3Br)和溴化铅(PbBr2)溶解在二甲基亚砜(DMSO)溶剂中搅拌至完全溶解;溴化铅的初始浓度为0.5mol/L,其中溶剂的体积为0.4mL;然后,添加十八碳烯酸和十八碳烯胺并搅拌溶解,其中,十八碳烯胺的添加量与溴化铅(PbBr2)物质的量比为0.4:1,十八碳烯酸的添加量与溴化铅(PbBr2)物质的量比为1.2:1得钙钛矿团簇的前驱体溶液;
②按前驱体溶液与反溶剂甲苯体积比为0.3:4,将钙钛矿团簇前驱体溶液注入甲苯中,室温下反应2分钟,得到表面钝化的钙钛矿团簇溶液;
③按3-氨丙基三乙氧基硅烷与溴化铅(PbBr2)物质的量比为0.4:1,将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到钙钛矿团簇溶液中,室温下搅拌2小时后敞口静置20分钟,在转速为10000r/min的条件下进行离心洗涤纯化处理,分离得到核壳结构的固态钙钛矿团簇,其粒径为1.5~2.5nm。
实施例2
一种固态钙钛矿团簇,其制备包括步骤:
①按物质的量比为0.4:1将甲基溴化胺(CH3NH3Br)和溴化铅(PbBr2)溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中搅拌至完全溶解;溴化铅的初始浓度为0.5mol/L,其中溶剂的体积为0.4mL;然后,添加苯乙酸和苯乙胺并搅拌溶解,其中,苯乙胺的添加量与溴化铅物质的量比为0.4:1,苯乙酸的添加量与溴化铅物质的量比为1.2:1,制得钙钛矿团簇的前驱体溶液;
②按前驱体溶液与反溶剂体积比为0.3:4,将钙钛矿团簇前驱体溶液注入甲苯中,室温下反应2分钟,得到表面钝化的钙钛矿团簇溶液;
③按3-氨丙基三乙氧基硅烷与溴化铅物质的量比为0.4:1,将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到钙钛矿团簇溶液中,室温下搅拌2下小时后敞口静置20分钟,在转速为10000r/min的条件下进行离心洗涤纯化处理,分离得到核壳结构的固态钙钛矿团簇,其粒径为1.9~2.51nm,结构示意图如附图2(a)所示,包括PMSCS钙钛矿团簇内核,壳,核与壳之间连接有线性配体。
实施例3
一种固态钙钛矿团簇,其制备包括步骤:
①按物质的量比为0.4:1将甲基溴化胺(CH3NH3Br)和溴化铅(PbBr2)溶解在体积比为1:1的二甲基亚砜(DMSO)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶剂中搅拌至完全溶解;溴化铅的初始浓度为0.5mol/L,其中溶剂的体积为0.4mL;然后,添加十八碳烯酸和十八碳烯胺并搅拌溶解,其中,十八碳烯胺的添加量与溴化铅物质的量比为0.4:1,十八碳烯酸的添加量与溴化铅物质的量比为1.2:1,制得钙钛矿团簇的前驱体溶液;
②按前驱体溶液与反溶剂体积比为0.3:4,将钙钛矿团簇前驱体溶液注入三氯甲烷中,室温下反应2分钟,得到表面钝化的钙钛矿团簇溶液;
③按3-氨丙基三甲氧基硅烷与溴化铅物质的量比为0.4:1,将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到钙钛矿团簇溶液中,室温下搅拌2下小时后敞口静置20分钟,在转速为10000r/min的条件下进行离心洗涤纯化处理,分离得到核壳结构的固态钙钛矿团簇,其粒径为1.0~2.0nm,结构示意图如附图2(b)所示,包括PMSCS钙钛矿团簇内核,壳,核与壳之间连接有伞状配体。
实施例4
一种固态钙钛矿团簇,其制备包括步骤:
①按物质的量比为0.4:1将甲基溴化胺(CH3NH3Br)和溴化铅(PbBr2)溶解在二甲基亚砜(DMSO)溶剂中搅拌至完全溶解;溴化铅的初始浓度为0.5mol/L,其中溶剂的体积为0.4mL;然后,添加十八碳烯酸和十八碳烯胺并搅拌溶解,其中,十八碳烯胺的添加量与溴化铅物质的量比为0.4:1,十八碳烯酸的添加量与溴化铅物质的量比为1.2:1,制得钙钛矿团簇的前驱体溶液;
②按前驱体溶液与反溶剂体积比为0.3:4,将钙钛矿团簇前驱体溶液注入甲苯中,室温下反应2分钟,得到表面钝化的钙钛矿团簇溶液;
③按3-氨丙基三乙氧基硅烷与溴化铅物质的量比为0.8:1,将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到钙钛矿团簇溶液中,室温下搅拌2下小时后敞口静置20分钟,在转速为10000r/min的条件下进行离心洗涤纯化处理,分离得到核壳结构的固态钙钛矿团簇,其粒径为1.5~2.5nm。
对比例1
一种固态钙钛矿材料,其制备包括步骤:
①按物质的量比为0.4:1将甲基溴化胺(CH3NH3Br)和溴化铅(PbBr2)溶解在体积比为1:1的二甲基亚砜(DMSO)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶剂中搅拌至完全溶解;溴化铅的初始浓度为0.5mol/L,其中溶剂的体积为0.4mL;然后,添加十八碳烯酸和十八碳烯胺并搅拌溶解,其中,十八碳烯胺的添加量与溴化铅物质的量比为0.4:1,十八碳烯酸的添加量与溴化铅物质的量比为1.2:1,制得钙钛矿团簇的前驱体溶液;
②按前驱体溶液与反溶剂体积比为0.3:4,将钙钛矿团簇前驱体溶液注入三氯甲烷中,室温下反应2分钟,得到表面钝化的钙钛矿团簇溶液,在转速为10000r/min的条件下进行离心洗涤纯化处理,无法分离得到固态钙钛矿材料。
对比例2
一种固态钙钛矿团簇,其制备包括步骤:
①按物质的量比为0.4:1将甲基溴化胺(CH3NH3Br)和溴化铅(PbBr2)溶解在二甲基亚砜(DMSO)溶剂中搅拌至完全溶解;溴化铅的初始浓度为0.5mol/L,其中溶剂的体积为0.4mL;然后,添加十八碳烯胺并搅拌溶解,其中,十八碳烯胺的添加量与溴化铅物质的量比为0.4:1,制得钙钛矿团簇的前驱体溶液;
②按前驱体溶液与反溶剂体积比为0.3:4,将钙钛矿团簇前驱体溶液注入甲苯中,室温下反应2分钟,得到表面钝化的钙钛矿团簇溶液;
③按3-氨丙基三乙氧基硅烷与溴化铅物质的量比为0.4:1,将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到钙钛矿团簇溶液中,室温下搅拌2下小时后敞口静置20分钟,在转速为10000r/min的条件下进行离心洗涤纯化处理,无法分离得到核壳结构的固态钙钛矿团簇。
对比例3
一种固态钙钛矿团簇,其制备包括步骤:
①按物质的量比为0.4:1将甲基溴化胺(CH3NH3Br)和溴化铅(PbBr2)溶解在二甲基亚砜(DMSO)溶剂中搅拌至完全溶解;溴化铅的初始浓度为0.5mol/L,其中溶剂的体积为0.4mL;然后,添加十八碳烯酸并搅拌溶解,其中,十八碳烯酸的添加量与溴化铅物质的量比为1.2:1,制得钙钛矿团簇的前驱体溶液;
②按前驱体溶液与反溶剂体积比为0.3:4,将钙钛矿团簇前驱体溶液注入甲苯中,室温下反应2分钟,得到表面钝化的钙钛矿团簇溶液;
③按3-氨丙基三乙氧基硅烷与溴化铅物质的量比为0.4:1,将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到钙钛矿团簇溶液中,室温下搅拌2下小时后敞口静置20分钟,在转速为10000r/min的条件下进行离心洗涤纯化处理,无法分离得到核壳结构的固态钙钛矿团簇。
进一步的,为了验证本申请实施例的进步性,对实施例进行了如下性能测试:
1、通过紫外可见分光度计和荧光分光光度计测试仪器,对实施例1制备的固态钙钛矿团簇的紫外吸收光谱和荧光发射光谱的特征峰进行了测试,测试结果如附图3所示,其中,对应的特征峰分别为401nm和405nm。
2、通过高分辨透射电子显微镜测试仪器,对实施例2制备的固态钙钛矿团簇的形貌尺寸进行了测试,测试结果如附图4所示,测试结果表明该钙钛矿团簇为球型,平均尺寸为2.21±0.3nm。
3、通过荧光分光光度计测试仪器,对实施例3制备的固态钙钛矿团簇的荧光发射光谱强度进行了测试,测试结果如附图5所示,测试结果表明随着时间的变化,添加硅烷偶联剂后钙钛矿团簇的荧光发射光谱强度增强。
4、通过荧光分光光度计测试仪的积分球,对实施例1~4制备的固态钙钛矿团簇的荧光量子产率进行了测试,测试结果图下表1所示。可见,实施例1~4制备的固态钙钛矿团簇均表现出较高的荧光量子产率,且30天后仍有较高的荧光量子产率,表现出良好的稳定性和发光性能。
其中,实施例1的测试图如附图6所示,测试结果表明随着30天的测试,钙钛矿团簇的荧光量子产率由原来的92%降为89%,表现出良好的稳定性和发光性能。
表1
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种固态钙钛矿团簇的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
将有机羧酸、有机胺配体与钙钛矿原材料配置成前驱体溶液;
将所述前驱体溶液与反溶剂进行混合处理,得到表面钝化的钙钛矿团簇溶液;
在所述钙钛矿团簇溶液中添加成壳物质,在钙钛矿团簇表面形成壳层,分离得到核壳结构的固态钙钛矿团簇。
2.如权利要求1所述的固态钙钛矿团簇的制备方法,其特征在于:所述钙钛矿原材料包括卤化二价金属和有机卤化铵或者卤化碱金属;
和/或,配置所述前驱体溶液的步骤包括:将所述钙钛矿原材料溶解于有机溶剂后,添加所述有机羧酸和所述有机胺配体,混合处理10~30分钟,得到所述前驱体溶液。
3.如权利要求2所述的固态钙钛矿团簇的制备方法,其特征在于:所述成壳物质选自:硅烷偶联剂、氨基酸、双亲磷脂、聚噻吩、聚甲基丙烯酸二甲氨乙酯中的至少一种;
和/或,所述成壳物质的添加量与所述卤化二价金属的摩尔比为(0.2~1):1;
和/或,在所述钙钛矿团簇表面形成壳层的步骤包括:将所述成壳物质添加到所述钙钛矿团簇溶液中后,混合处理2~5小时,静置20~30分钟。
4.如权利要求3所述的固态钙钛矿团簇的制备方法,其特征在于:所述硅烷偶联剂包括正硅酸乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、氨基化笼形倍半硅氧烷中的至少一种。
5.如权利要求2~4任一项所述的固态钙钛矿团簇的制备方法,其特征在于:所述前驱体溶液与所述反溶剂的体积比为(0.2~1):(2~10);
和/或,所述反溶剂包括正己烷、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷中的至少一种;
和/或,所述混合处理的时间为1~2分钟。
6.如权利要求2~4任一项所述的固态钙钛矿团簇的制备方法,其特征在于:所述有机羧酸与所述卤化二价金属的摩尔比为(0.7~1.5):1;
和/或,所述有机胺配体与所述卤化二价金属的摩尔比为(0.2~0.8):1;
和/或,所述分离的方式选自离心分离。
7.如权利要求6所述的固态钙钛矿团簇的制备方法,其特征在于:所述有机羧酸包括丙酸、正丁酸、正戊酸、十八碳酸、十八碳烯酸、苯甲酸、苯乙酸中的至少一种;
和/或,所述有机胺配体包括十八碳胺、十八碳烯胺、苯甲胺、苯乙胺中的至少一种;
和/或,所述卤化二价金属包括卤化铅、卤化锡、卤化锗、卤化镓、卤化镍、卤化锰、卤化钴、卤化铜中的至少一种;
和/或,所述有机卤化铵包括CH3NH3Cl、CH3NH3Br、CH3NH3I、CH2(NH3)2Cl、CH2(NH3)2Br、CH2(NH3)2I、CH3CH2NH3Cl、CH3CH2NH3Br、CH3CH2NH3I中的至少一种;
和/或,所述卤化碱金属包括CsCl、CsBr、CsI、RbCl、RbBr、RbI中的至少一种;
和/或,所述有机溶剂包括二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。
8.一种固态钙钛矿团簇,其特征在于:所述固态钙钛矿团簇为核壳结构,包括钙钛矿团簇内核和包覆在所述内核外表面的壳层,所述内核与所述壳层之间连接有配体。
9.如权利要求8所述的固态钙钛矿团簇,其特征在于:所述固态钙钛矿团簇的粒径大小为1~3nm;
和/或,所述固态钙钛矿团簇中,所述钙钛矿团簇内核与壳层的质量比为1:(0.04~0.30);
和/或,所述壳层由正硅酸乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、氨基化笼形倍半硅氧烷中的至少一种硅烷偶联剂形成;
和/或,所述配体的原材料包括十八碳胺、十八碳烯胺、苯甲胺、苯乙胺中的至少一种。
10.一种光电器件,其特征在于:所述光电器件中包含有如权利要求1~7任一项所述方法制备的固态钙钛矿团簇,或者如权利要求8~9任一项所述的固态钙钛矿团簇。
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