新型无铅钙钛矿纳米材料的制备及其光学性质分析

2020-12-22张永军

世界有色金属 2020年24期

张永军

（甘肃能源化工职业学院，甘肃兰州 730207）

相比较传统的半导体纳米结构，以及其他类型的材料，新型无铅钙钛矿纳米材料，化学结构异常优异，因此它具有较为突出的电学性质和光学性质。倘若相关技术研究人员可以在供电领域，进行该种类材料的更深入研究，那么该类材料或许会在未来的科学发展中发挥更为巨大的作用。早在多年以前，钙钛矿纳米材料就已经被科研人员所重视，由于其中的铅含量成为了制约其发展的桎梏[1]。因此这一类材料的研究呈现出止步不前的状态，而无铅类型的钙钛矿纳米材料的出现，打破了铅元素的桎梏现状，给有关材料的制备和研究带来了新的思路。

1 无铅钙钛矿纳米材料制备重要性分析

早在无铅钙钛矿纳米材料出现之前，有关技术研究人员就已经对含铅的钙钛矿纳米材料有了深入的研究与实验。这一类材料虽然有极其优异的光学性质与电学性质，在未来的光电领域或许能够发挥极大的作用。但由于相关材料内部的铅含量比重较大，因此相关研究并未进一步深入下去。尤其是将其用于太阳能电池制作过程中后，相关研究人员发现，其中铅元素的毒性是事故有关材料制备的最大障碍。相比较其他元素而言，铅元素需要花费大量的时间才能够得到降解，因此它在自然生态系统中会长时间稳定存在，不能为人力所消除。倘若自然生态系统中的土壤资源以及水资源与铅元素结合，那么便会造成大量自然资源的污染[2]。这一类污染将会影响到人类文明的未来发展以及人类本身的生存繁衍。因此含铅的钙钛矿纳米材料无法进行大规模的制备与使用，否则地球上的铅元素污染将会进一步加重，给人类未来发展带来十分严峻的挑战。为了避免有关现象的产生，相关技术研究人员尝试进行无铅钙钛矿纳米材料的研究与制备。这对于新型材料技术的发明，以及未来太阳能电池材料的选择都能够起到极其重要的作用。因此从这个方面来看，进行无铅钙钛矿纳米材料的制备与使用是很有必要的，也是很有意义的。

2 相关制备方法分析

通常无铅钙钛矿纳米材料会被制备成钙钛矿薄膜来进行日常的使用，如果钙钛矿纳米材料的制造工艺出现了问题，不可能用该类材料来制造醋的光电器件，性能也会出现问题，因此，相关技术研究人员研究出了多种进行无铅钙钛矿薄膜制作的方式[3]。其中最为常用的两种是溶液处理方式和气象沉积方式。

2.1 溶液处理法

相比较其他的制作方式而言，溶液处理法具有操作简单的优势。只要将钱具体放置在混合溶液中，并可以通过涂层和印刷的方法来进行相关薄膜的制备。在早期使用溶液处理法进行无铅钙钛矿纳米薄膜材料制备的过程中，技术研究人员通常都使用一部选举法来进行相应薄膜的制备，但这种方式所制备出的薄膜覆盖率较低，并且表面比较粗糙，因此使用这种材料来进行光电器件制造会导致有关器件的性能无法达到最佳状态。具体说来，在使用一步法的过程中，需要将混合溶液旋涂在基底上，使得溶液进行蒸发。在溶液蒸发的过程中，无铅钙钛矿便可以进行结晶，最终在基底上形成一层薄膜。但在一步选图法的施展过程中，无法进行溶液蒸发速率的控制，如果溶液蒸发速率太快，那么无铅钙钛矿的结晶形成程度也会较快，这很可能会使得彻底的覆盖率降低，终导致薄膜的制备质量出现问题。因此一步法之所以存在缺陷，会导致制造表面不够光滑，实际上是因为溶液蒸发的过程难以得到控制。为了使得相关溶液处理法能够得到更好的使用，开始有技术研究人员尝试使用两步法来帮助进行薄膜覆盖率的改善。只有两部法能够帮助进行溶液蒸发速率的控制，未来无铅钙钛矿材料的结晶速率也就能够得到相应的控制，原本会出现许多针孔状的表面薄膜，会变得更加光滑。这样一来，溶液处理法便能够得到更加完美的使用。就现阶段而言，比较其他的无铅钙钛矿纳米材料制备技术，溶液处理法显得更加灵活简单，因此该类方法的使用率较高。但需要注意的是，相关方法仍然需要进行进一步的改进与完善，才能够获得更加良好的使用。

2.2 气相沉积法

气相沉积法是现阶段使用率较高的另一种无铅钙钛矿薄膜材料制备技术。与溶液处理法相比较，这一类制备技术能形成更加均匀的薄膜覆盖，形成的薄膜不但针孔较少，并且颗粒非常均匀，这种方式所制备出的无铅钙钛矿纳米材料一旦被选择进行充当光电器件制备的材料，可以较好的发挥有关光电器件的性能。但这一类材料的制备并非全无缺点。相比较溶液处理法而言，气相沉积法的使用对周遭的环境有更高的要求，对使用相关技术的工作人员的专业技能和职业素养也有更高的要求。因此该类方法的使用准入门槛较高。在薄膜形成期间，使用这种方式进行无铅钙钛矿薄膜材料的制备需要一直保持外部的环境处于真空状态。倘若外部环境的真空状态被打破，那么相关薄膜材料的制备质量就无法达到标准。但如果要进行真空状态的维持，势必要耗费更多的能量和更多的资金投入。因此相比较溶液处理法而言，气相沉积法的性价比并不高。未来的相关技术研究人员试图从降低成本的角度出发，来帮助进行气相沉积法使用的低性能改进。

2.3 蒸汽辅助溶液法

由于溶液处理法和气相沉积法两种方法都存在明显的缺陷，因此相应技术研究人员尝试使用一种更加全新的混合方法，来帮助进行无铅钙钛矿纳米材料的制备。这种方法便是蒸汽辅助溶液法。使用这种方式，相关技术人员既要进行溶液的蒸发，又要进行溶液的旋涂，相比较溶液处理法而言，这种材料制备方式，能够更好的保障薄膜材料的表面光滑均匀，这样一来所制作出的光电器件性能就能达到相应标准。而与气相沉积法相比，使用蒸汽辅助溶液法来进行相应薄膜的制备，又不需要保证外部环境的真空。因此该类方法与气相沉积法相比，并不需要耗费过高的成本。从这两个角度来看，蒸汽辅助溶液法要比溶液处理法和气相沉积法都更具有优势。因此该类方法可以进行广泛的推广与使用。

3 光学性能及应用分析

新型的无铅钙钛矿纳米材料出现之后，这种材料优越的光电性能使得其能够在各个领域进行良好的应用。下文将对其光学性能及应用进行深入的研究与分析。

3.1 在光伏上的应用

相比较传统的si基太阳能电池而言，无铅的钙钛矿纳米材料具有十分优异的光电性能，因此，在进行太阳能电池的制备过程中，该材料的使用具有无可比拟的优势。首先作为太阳能电池中最主要的光吸收材料，它与传统材料的太阳能电池相比，具有更加高效的光电转换率，它在可溶液处理光伏技术上的表现也较为令人惊叹。相比较传统的太阳能电池制备材料而言，无铅钙钛矿纳米材料能够兼容各类溶液处理方式，因此它能够进行，较为符合人类生产期待的薄膜光伏技术建立。相应材料的制备也不没有太高程度上的要求，因此现阶段地球所蕴含的能够帮助进行无铅钙钛矿纳米材料制备的原料较为丰富，能够被有关技术人员进行大规模的低成本生产。因此其在光伏上的应用显得尤为出众。

3.2 在储存设备上进行应用

使用传统的钙钛矿材料来进行储存器件设备的制作与运用过程中，相关技术研究人员必须要对传统材料进行高温退火，这种加工方式既要耗费大量的成本，又需要耗费大量的材料。但倘若使用无铅的钙钛矿纳米技术应用在相应的存储设备上，这可以通过各种溶液加工的方式，来帮助进行有关材料制备和结晶。这样一来，相关材料在存储设备上应用的成本就得到了大幅度的降低，也不至于浪费太多的原料素材来进行有关材料的制备。并且相比较传统的制作生产材料而言，无铅的钙钛矿纳米材料具有较好的耐久性和使用寿命，因此较为适合在存储设备上进行使用。

3.3 在锂离子电池中进行使用

相比较传统的锂离子电池制备材料而言，无铅钙钛矿纳米材料中的钙钛矿结构具有灵活和多样的特性，因此更适宜在锂离子电池生产中进行使用。相应技术研究人员在现阶段的锂离子电池制备过程中，想要进行电极稳定性的突破，并且帮助进行现阶段相应电池开发成本的降低，并且寻找到更具高性能的负极材料来帮助进行相应电池的生产。为了使得锂离子电池达到更加完美的使用性能，有关技术研究人员尝试使用含铅的钙钛矿材料来进行相应电池的生产与制备。但由于其中的铅元素对环境并不友好，因此有关生产与制备的研究陷于停滞。在无铅钙钛矿纳米材料出现后，相应技术研究人员便开始尝试使用无铅钙钛矿材料来代替，原本含铅的钙钛矿材料，进行有关锂离子电池的生产与使用。这种材料的使用能够帮助进行电池稳定性的突破，还能够帮助降低有关锂离子电池生产中所投入的资金成本。更重要的是，相关材料的使用还不会对环境产生任何不利的影响。并且相比较传统的制备材料而言，无铅钙钛矿纳米材料具有十分优异的高离子导电率。因此该类材料很适合在锂离子电池中进行应用，未来的锂离子电池生产过程也可以尝试使用有关材料来帮助进行相关电池性能的提升。