[发明专利]一种有效减少钙钛矿组分中铅含量的方法

说明书

本发明公开了一种有效减少钙钛矿组分中铅含量的方法，主要解决现有单一掺杂减铅效果不理想,造成光电性能及稳定性差的问题。其方案是：将Zn、Mn、Cu、Ni、Ge、Sn、Au、Ti、Zr元素中的任意两种或两种以上，按不同的组合方式对铅基钙钛矿进行共掺杂，包括Zn与Mn共掺杂、Zn与Cu、Ni、Ge、Sn、Au、Ti、Zr中的一种或多种共掺杂、Ge、Sn中的一种或两种与Cu、Ni、Au、Ti、Zr中的一种或多种共掺杂、Mn与Cu、Ni、Au、Ti、Zr中的一种或多种共掺杂，以减少钙钛矿组分中的铅含量。本发明降低了钙钛矿毒性，保证了光电性能和稳定性，可广泛的用于吸光层材料的低铅化处理。

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，更进一步涉及一种减少钙钛矿组分中铅含量的方法，可用于太阳能电池、光电探测器、发光二极管中吸光层材料的低铅化处理和性能改进。

背景技术

太阳能是一种取之不竭的清洁能源，也是一类重要的新能源。太阳能电池作为一种将太阳能转化为电能的光电器件，在国际上受到广泛地关注。与此同时，探测、发光等光电器件也为人类生活水平的提高做出了重要的贡献。在光电器件中，最重要的就是其中起到光电转换作用的半导体材料，钙钛矿材料就是一种这样的材料。由于钙钛矿材料具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，使其能够获得较长载流子的扩散距离和寿命，再加上其极高的吸光能力，使其很适合用作吸光层。研究人员通过调整其组分，可以调节其光电性质，进而可以适用于各类光电器件中。于是，钙钛矿材料的光电器件近年来发展极为显著。但是，目前最主流的钙钛矿材料都含有铅元素，对环境和人体均具有很大危害。研究者通常通过用二价锡或二价锗替代二价铅，来实现无铅钙钛矿材料，但二价锡或二价锗易被氧化，这使其制得的器件极不稳定。也有研究人员通过掺杂过渡金属元素锌，替换铅的同时提高材料光伏特性，但由于锌的高浓度掺杂难以实现，仍不能有效地减少铅的含量。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在其申请的专利文献“铯锡卤钙钛矿薄膜材料的制备方法”(申请号：201811448189.5申请公开号：CN109518161A)中公开了一种CsSnX₃(X＝Cl、Br或I)钙钛矿薄膜的制备方法。该钙钛矿太阳能电池采用锡取代钙钛矿中的铅，可以降低钙钛矿层的毒性，并且锡基钙钛矿材料可以获得更小的带隙和更高的载流子迁移率。但是，该材料中的锡呈二价，极易在空气中被氧化为四价，造成材料的不稳定与器件性能的衰退。

Hongrui Sun等作者在其发表的论文“Pb-Reduced CsPb 0.9Zn 0.1I 2Br ThinFilms for Efficient Perovskite Solar Cells”(DOI:10.1002/aenm.201900896)中公开了一种基于CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池。该钙钛矿太阳能电池采用过渡金属锌，取代钙钛矿中的铅，可以降低钙钛矿层的毒性，并且提高了器件性能，获得了13.6％的光电转换效率。但是，该方法中的锌掺杂浓度最多只达到12％，仍有大量铅在钙钛矿材料中存在，不能有效消除传统钙钛矿中铅的毒性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有的不足，提出一种有效减少钙钛矿组分中铅含量的方法，以通过用多种元素对铅基钙钛矿进行掺杂，减少钙钛矿组分中的铅含量，改善钙钛矿材料中的毒性，并保证钙钛矿吸光能力或稳定性不被恶化。

本发明的技术方案是这样实现的：

1.一种有效减少钙钛矿组分中铅含量的方法，其特征在于，在铅基钙钛矿材料中同时掺入Zn、Mn、Cu、Ni、Ge、Sn、Au、Ti、Zr这些元素中的任意两种及两种以上，得到低铅钙钛矿材料，以减少铅元素的含量，同时保证钙钛矿的吸光能力或稳定性。

进一步，所述在铅基钙钛矿材料中同时掺入Zn、Mn、Cu、Ni、Ge、Sn、Au、Ti、Zr这些元素中的任意两种及两种以上的共掺杂组合方式，包括以下几种形式：