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新型无铅钙钛矿量子点,兼顾环保和性能!
2017-09-13 浏览量:1403


钙钛矿由于其优异的电学和光学性能引起了研究人员极大的兴趣。短短几年间,经过溶液处理的金属卤化物钙钛矿薄膜太阳能电池就达到了22.1%的能量转换效率,几乎可以用其他商业的光伏电池相提并论;在激光发射领域,钙钛矿的单晶纳米线激光发射器表现出了超低阈值的室温发射性能,且发射可调、易于合成;在量子点显示领域,金属卤化物钙钛矿量子点则表现出很高的光致发光量子产率(>90%)、较窄的半峰全宽(<25 nm)以及较宽的色域(150%),这些特征使其很有潜力成为高效发光二极管的替代产品。

有机-无机杂化的钙钛矿量子点是个2014年才开始兴起的新兴研究领域。虽然近年来获得了极大的发展,但是其中的有机成分对氧气和水分特别敏感,长时间处于空气中会导致性能逐渐下降。因此,出现了一种完全无机的金属卤化物钙钛矿量子点,如CsPbX3,由于没有有机成分,其对氧气和水分的敏感度大大降低。然而,由于这种无机卤化铅钙钛矿量子点含有重金属元素铅,其具有环境毒性,阻碍了其进一步的应用。

近日,武汉华中科技大学的研究人员发表了一项研究成果,合成了一种无铅的层叠卤化物钙钛矿量子点Cs3Sb2Br9,其具有较高的光致发光量子产率,同时相比有机-无机杂化钙钛矿量子点具有更好的空气和光照稳定性。相关研究成果发表在ACS NANO期刊上。(“High Quantum Yield Blue Emission from Lead-Free Inorganic Antimony Halide Perovskite Colloidal Quantum Dots”)

一般来说,为了获得低毒性的金属卤化物钙钛矿,有两种典型的策略:其一就是通过其他低毒性的金属阳离子部分取代铅,另一种就是完全使用不含铅的阳离子取代铅,如SnMnBiSbCu等。这些低毒性的卤化物钙钛矿不仅表现出毒性下降,而且还具有相似的晶体结构和性能。

华中科大的研究人员,通过修饰过的配体辅助再沉淀法,在短短的几秒钟时间内就在室温下获得了这种无铅量子点。具体实验过程如下:

 

无铅钙钛矿量子点的制备过程

Cs3Sb2Br9单晶的制备:

单晶的生长通过反相结晶实现。首先将3mmol CsBr2mmol SbBr3的混合物溶解在1mL二甲基亚砜中,在室温下得到1M前驱体溶液;使用0.2mm孔径的PTFE过滤器过滤溶液。 将2毫升滤液置于小瓶中,并保持在90℃油浴中生长3小时。

Cs3Sb2Br9 无铅量子点的制备:

Cs3Sb2Br9量子点的典型合成中,将0.3mmol CsBr0.2mmol SbBr3溶解在2ml N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜中,然后加入10μL油酰胺或正辛胺以稳定前驱体溶液;

对于量子点的反应,在剧烈搅拌下,将1mL前驱体溶液迅速滴入10mL辛烷和2mL油酸的混合物中;在几秒钟的反应后,观察到强蓝色光致发光量子点;反应后,将溶液以7000rpm离心5分钟,弃去沉淀物。最后,获得了明亮的浅蓝色胶体溶液,即为固体Cs3Sb2Br9量子点。

研究人员发现,通过控制量子点结晶,其光致发光量子产率可以从20%提高到46%,远高于已报道的具有相似发射峰值的钙钛矿量子点。研究人员认为其优异的性能可归因于以下两点:一是Cs3Sb2Br9量子点表面含有很多的Br,可以降低表面捕获效益;二是激子结合能较大,约530mV,这保证了激子在室温下可以进行有效复合。

 

不同金属卤化物钙钛矿量子点的光学性能对比

此外,研究人员还研究了Cs3Sb2Br9无铅量子点的空气稳定性和光稳定性。发现,在最初七天,量子点的发光效率得到了提升,这被称为“光活化”现象,主要由量子点的平滑化以及表面缺陷的去除导致。而当在空气中暴露时间更长时,这种量子点的光致发光强度逐渐降低,35天后,仍可保留70%的光致发光效率,同时半峰全宽逐渐增加。 

“我们制备出的无毒、具有高光致发光效率和良好稳定性的无铅钙钛矿量子点,及这种合成方式将在激光、照明、显示等领域展现出巨大的应用潜力。”研究人员表示。

 

来源:ACS NANO

文献链接:http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b04683