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摘 要

铅卤钙钛矿单晶材料的研究这几年逐渐成为了热点。而文献中通常使用的铅卤钙钛矿单晶的合成方法是机械剥离和化学气相沉积（CVD）的方法，这样制备得到的钙钛矿单晶为块状，并且单晶的生长具有随机性，使得难以运用到光探测器中。

本文提出了一步低温液相合成（LTLPS）的方法来制备铅卤钙钛矿单晶材料。通过低温液相合成法，合成了单结晶无机钙钛矿CsPb₂Br₅微米片单晶并进行了表征。在此基础上对实验条件进行调控以实现对CsPb₂Br₅单晶的形貌进行控制。

实验结果分析表明，使用LTLPS制备出了CsPb₂Br₅层状单晶，而DMF制得的单晶尺寸较小，DMSO的则比较大。反应溶液的浓度越高，CsPb₂Br₅单晶的尺寸反而越小。并且反应选取基底不同，其形貌也会有所差异。

本文的研究为合成层状CsPb₂Br₅单晶提出了LTLPS的方法，使用这种方法制备出的单晶，可以用于光探测器进行使用，同时，对单晶生长的可控调节也有利于单晶的量化生产。

关键词：卤化物钙钛矿，单晶，低温液相合成法，形貌调控

ABSTRACT

The research on lead-halide perovskite single crystal materials has become a central issue in recent years. While the synthesis method of lead-halide perovskite single crystals commonly used in the literature is mechanical peeling and chemical vapor deposition (CVD). The perovskite single crystal is in the form of a block, and the growth of the single crystal is random, making it difficult to apply to the photodetector.

In this paper, a one-step low temperature liquid phase synthesis (LTLPS) method was proposed to prepare lead-halide perovskite single crystal materials. By LTLPS, single crystal inorganic perovskite CsPb₂Br₅ micron single crystals were synthesized and characterized. On this basis, the experimental conditions were adjusted to control the morphology of CsPb₂Br₅ single crystals.

The experimental results show that three factors are related to the morphology of the CsPb₂Br₅ layered single crystal, which are solvent, precursor concentration and substrate. Single crystals synthesized from DMF are smaller and those from DMSO. The higher the concentration of the precursor solution is, the smaller is the size of the CsPb₂Br₅ single crystal. Also different substrates may lead to different morphology.

The research in this paper proposes the method of LTLPS for the synthesis of layered CsPb₂Br₅ single crystal. The single crystal prepared by this method can be used for photodetector, and controllable regulation of single crystal growth is also beneficial for the massive production of single crystals.

KEY WORDS: halide perovskite, single crystal, low temperature liquid phase synthesis, morphology control

目 录

摘 要 3

ABSTRACT 4

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2铅卤钙钛矿材料 1

1.2.1钙钛矿概述 1

1.2.2 钙钛矿的晶体结构 2

1.3钙钛矿单晶 3

1.3.1钙钛矿单晶的特点 3

1.3.2钙钛矿单晶的制备 4

1.3.3钙钛矿单晶的应用 5

1.3.4钙钛矿的研究现状 7

1.4选题意义及课题主要工作 9

第二章 CsPb₂Br₅单晶的制备 10

2.1实验方法 10

2.1.1材料 10

2.1.2钙钛矿单晶的制备 10

2.1.3材料的表征 11

2.2制备结果及讨论 11

2.3小结 14

第三章 CsPb₂Br₅单晶的形貌控制 15

3.1实验方法 15

3.1.1材料 15

3.1.2钙钛矿单晶形貌受影响的因素 16

3.1.3钙钛矿单晶的制备 16

3.1.4材料的表征 18

3.2实验结果及讨论 18

3.2.1 溶剂的选择 18

3.2.2 反应基底的选择 21

3.2.3 反应物溶液的浓度 22

3.3小结 23

第四章 总结与展望 24

4.1本文总结 24

4.2展望 25

致 谢 26

参考文献 27

第一章 绪论

1.1引言

由于煤炭资源日渐枯竭而引发的全球范围内的能源问题正在迫使着人们努力寻求新的解决方案，清洁而又安全的太阳能也就因此顺势成为了近几十年来人们关注的焦点。从以单晶硅、多晶硅为代表的Si系太阳能电池，发展到近些年来逐渐催生的染料敏化太阳能电池和有机。但是硅系太阳能电池由于价格昂贵，虽然可以量化进行生产，但难以推广，并且可提升的空间已经不大。而钙钛矿太阳能材料作为一种新兴的太阳能电池材料，不仅光电转换效率高而且制备简单，逐渐成为了这几年来的热点。相比于硅系太阳能电池的制备工艺，钙钛矿电池仅仅需要将两种盐混合反应即可，步骤少，操作工艺极其简单。除去简单的制备工艺以外，它也拥有着相当不错的光电转换效率，在钙钛矿最早研究的时候只有3%，而这些年的研究已经可以使得钙钛矿的光电转换效率到达23%左右，这意味着钙钛矿太阳能电池已经达到了Si系太阳能电池的转换效率。此外，在光探测方面，CsPb₂Br₅钙钛矿也有着不小的优势。现如今，对钙钛矿的研究方兴未艾，未来的钙钛矿的应用和发展势必会不断地向前迈进。

1.2铅卤钙钛矿材料

1.2.1钙钛矿概述

最早的钙钛矿矿物是在1893年由俄国的地质学家普罗索维奇发现的，那时候的钙钛矿还是狭义上的、单纯的指钛酸钙这种化合物（CaTiO₃），也正是因为他的这个发现，钙钛矿的英文便以他的名字命名（钙钛矿英文为Perovskite）。而后，随着学者们对钛酸钙这种物质的研究不断深入，专家们发现这种钙和钛的氧化物有着非常独特的化学物质结构（立方体结构），也正是因为这种结构使得钛酸钙在凝聚态物理方面有着广泛的应用。^[1]

随着专家学者们对其他物质的研究的不断深入，逐渐地发现钛酸钙的独特结构这种特性不仅仅是存在于钛酸钙这种矿物当中，同样的也广泛的存在于形如ABX₃的化合物当中。各种不同化学组分的、化学式形如ABX₃的矿物陆陆续续地被人们发现以及研究，他们具有与钛酸钙相同的化学物质结构，也同样有着优良的电子迁移率和范围很广的吸收范围^[2]；同时也有一些虽然化学式并不形如ABX₃但却也具有和ABX₃类物质相似的物质结构和特性，并且这些物质的种类随着研究时间变长而变得越来越多，以上这些物质也同样被称作钙钛矿或者类钙钛矿矿物，有时我们直接简略的称他们为钙钛矿。钙钛矿一般分为两种，一种是氧化物钙钛矿，另一种是卤族钙钛矿，后者的提出虽然很早，但由于卤族钙钛矿不稳定因此这几年才开始进行研究。这种广义上定义的钙钛矿也因为其1:1:3的元素配比而又有着“113结构”的叫法。^[3]如今的钙钛矿定义已经在很大程度上拓宽了，一般钙钛矿指的就是广义上的钙钛矿，这种定义包括了类钙钛矿物质。而现今正广泛研究并应用在光伏电池中的钙钛矿其实并不含钙，也不含钛，只是结构与最早的钛酸钙相似的类钙钛矿物质。

1.2.2 钙钛矿的晶体结构

钙钛矿晶体结构一般是一个八面体或者是立方体的晶形，通常有立方、正交、菱方、三斜以及单斜等等，而在立方体的晶体当中往往具备平行晶棱的一些条纹，这是由于物质从高温变体降温逐渐变为低温变体时，产生的聚片的双晶结果。^[4]

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