[发明专利]一种吸收光谱连续可调的无机钙钛矿材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种吸收光谱连续可调的无机钙钛矿材料及其制备和应用，其中该钙钛矿材料包含：1)一种或多种一价金属阳离子[A]⁺；2)一种或多种三价金属阳离子[B]³⁺；3)一种或多种三价金属阳离子[B']³⁺；4)一种或多种卤素阴离子[X]^‑。其化学式为[A]_x[B]_y[B']_z[X]_n，其中，y+z＝2x/3,n＝3x,x0。该材料通过不同离子组分的调变可实现吸收光谱的连续可调，制备方法简单、方便、环境友好。该钙钛矿材料有望应用于光催化、光电探测、太阳能电池、激光、发光二极管等领域。

技术领域

本发明属于钙钛矿材料领域，更具体地，涉及一种吸收光谱连续可调的无机钙钛矿材料及其制备和应用，其特征是稳定、无毒、吸光范围连续可调，可用于光催化、光电探测、太阳能电池、激光、发光二极管等领域。

背景技术

近几年以来，以卤化铅甲胺(MAPbX₃)为代表的卤化物钙钛矿材料由于其优异的光电性质引起了太阳电池、发光器件等多个领域的广泛关注(Chem.Soc.Rev.,2016,45,655—689；Acc.Chem.Res.2016,49,528-535)。该类材料具有可调节的带隙结构、高光吸收系数、高载流子迁移率和长载流子扩散长度等独特的性质，使它们在太阳能电池、发光二极管、光电探测、激光以及光催化等领域展现出广阔的应用前景。然而，铅的毒性以及环境污染问题、甲氨基等有机基团的光稳定性等问题极大地限制了这类材料的应用。因此，开发新型无机非铅钙钛矿材料是未来钙钛矿类材料走向工业应用的重要途径。

近年来，已经有部分研究工作报道了利用元素周期表中性质与铅较为类似的元素替代铅元素以及用无机的金属离子取代甲氨基等，如Sn²⁺、Bi³⁺替代Pb²⁺合成的MASnX₃(X＝Cl,Br,I)、MA₃Bi₂X₉(X＝Cl,Br,I)，虽然降低了该类材料的毒性，但是材料的稳定性以及光学性质仍不理想(J.Mater.Chem.A,2017,5,11436-11449；Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,1-6)；也有部分研究报道了无机的Cs离子替代甲氨基基团的CsPbX₃(X＝Cl,Br,I)等钙钛矿材料，虽然稳定性得到了一定程度改善，但是其光电性质却大幅降低(J.Am.Chem.Soc.2016,138,15829-15832)。因此，开发一种无毒、稳定、具有宽光谱吸收的新型非铅无机钙钛矿材料对太阳电池及发光器件等多个领域具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对目前常用的卤化物钙钛矿半导体材料的毒性大、稳定性差以及光谱吸收范围窄的问题，提供一种低毒、稳定、吸收光谱连续可调的无机钙钛矿材料。该类材料的化学式为[A]_x[B]_y[B']_z[X]_n，包含一种或多种一价阳离子[A]⁺、一种或多种三价阳离子[B]³⁺、一种或多种三价阳离子[B']³⁺、一种或多种卤素阴离子[X]^-，其中，y+z＝2x/3,n＝3x,x0。

具体地，该类无机钙钛矿材料通过采用一种或多种三价阳离子，避免通常采用的铅离子，降低了材料的毒性；采用无机金属离子，避免使用甲胺等有机组分，提高了材料的稳定性。同时，相比于含有单一的三价[B]³⁺或[B']³⁺离子，通过调变金属阳离子[B]³⁺和[B']³⁺的化学计量比，可实现吸收光谱在可见光范围的连续可调。

因此，本发明提供了一类无机钙钛矿材料[A]_x[B]_y[B']_z[X]_n，该材料包含：