卤化物钙钛矿发光材料宏量制备工艺及性能应用研究

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钙钛矿材料因其具有荧光量子产率高、发射波长易于调控、色谱纯度高、激子束缚能低等优点,近年来已经被广泛应用于太阳能电池、发光二极管等光电器件中并受到人们越来越多的关注。虽然钙钛矿材料有着优异的光电性能,但也存在着显著的缺点,比如材料稳定性较差,对极性溶剂、热和光等外部环境极为敏感,并且目前钙钛矿材料的制备工艺相对比较复杂且很难大规模工业化生产制备。针对以上钙钛矿研究工作中的热点和难点问题,本文深入研究了钙钛矿材料的制备方法,揭示了工艺参数对钙钛矿材料的形貌结构、晶体结构、光学性能和稳定性的影响规律。具体的研究内容如下:
  (1)研究了一种简便有效制备具有优异荧光性能的页岩状Cs4PbBr6钙钛矿材料的工艺方法。利用CTAB辅助采用反溶剂过饱和重结晶的方法制备了页岩状Cs4PbBr6钙钛矿材料。通过SEM、TEM和AFM的结构表征表明,本章中制备的Cs4PbBr6钙钛矿材料具有页岩状的结构,其长度约为几十至几百微米,总厚度也有几个微米,但实际上它们是由6-8纳米厚的Cs4PbBr6纳米片定向堆积而成。其中阳离子表面活性剂CTAB对页岩状Cs4PbBr6钙钛矿的形成起着至关重要的作用。最后我们通过组装制备了白光LED器件,证明了其在照明、显示等光电器件中的应用潜力。
  (2)研究了一种单溶剂、无配体、环境友好型规模化制备Cs4PbBr6钙钛矿发光粉体的工艺方法。该方法制备出的Cs4PbBr6钙钛矿发光粉体不仅具有优异的光学性能,而且对光和热具有可逆的荧光稳定性。该方法在整个合成过程中除使用少量的DMF外,无需添加其他配体和溶剂,反应结束后,只需通过蒸发干燥处理,即可获得无配体纯相Cs4PbBr6钙钛矿发光粉体。为了说明该方法规模化制备的可行性,我们通过同比例增加铯铅盐的用量,仅用4mL DMF溶液即可获得10克以上的Cs4PbBr6钙钛矿发光粉体。更为重要的是,规模化制备过程中蒸发冷凝收集的DMF可以继续用来制备新的Cs4PbBr6钙钛矿发光粉体。综述所述,该方法制备过程中不仅有机溶剂用量少而且可回收后再次制备新的样品,这不仅能消除废液对环境的污染而且能有效的降低成本,非常适合工业化大规模生产。
  (3)研究了一种Cs4PbBr6复合发光材料的制备工艺方法。我们首先利用真空冷冻干燥技术得到CsBr和Ce(NO3)3均匀的混合物,而后通过直接煅烧即可获得CsBr/CeO2前驱体,最后在前驱体中加入一定体积的PbBr2的DMF溶液,在充分搅拌的条件下,在20分钟内即可得到具有优异荧光性能的Cs4PbBr6复合发光材料。而且本章制备的Cs4PbBr6复合发光材料不仅具有优异的光学性能,而且具有较强的光热稳定性。本章不仅为制备钙钛矿复合材料提供了一种新的制备思路,而且制备的Cs4PbBr6复合发光材料也将在未来的光电器件中具有广阔的应用前景。
  (4)研究了一种在乙醇和水相中制备CsPb2Br5微米片的工艺方法。我们将CsBr的HBr溶液、乙醇和OAm依次加入离心管中,最后快速加入的Pb(NO3)2的水溶液,快速搅拌30min后即可得到具有优异荧光性能的CsPb2Br5微米片。结果表明,OAm是制备具有优异荧光性能CsPb2Br5微米片的关键,PbBr2/CsBr摩尔比也对样品的结构和性能有着重要的影响。最后我们对样品在乙醇中的稳定性进行了研究,结果表明制备的CsPb2Br5微米片可以在乙醇中长期保存并保持良好的荧光性能。
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