钙钛矿材料制备中的溶剂配位效应

doi:10.3866/PKU.WHXB202008055

摘要/Abstract

摘要：

钙钛矿材料具有吸收系数大、载流子迁移率高、可溶液加工等特点，在太阳能电池、发光二极管、光电探测等领域具有潜在的应用价值。钙钛矿的光电性质与其维度、尺寸、形貌密切相关，因此研究材料的生长是实现高性能器件应用的基础。钙钛矿前驱体与溶剂之间的配位作用对钙钛矿的生长过程具有重要影响。本综述总结了钙钛矿前驱体与溶剂之间的配位作用对钙钛矿单晶、多晶薄膜、量子点三类体系制备的影响，讨论了在上述材料制备中的溶剂配位效应，特别是溶剂配位效应所形成的溶剂化物对材料生长过程，以及所制备的材料(形貌、晶相、缺陷、稳定性)的影响。最后，我们对这一研究方向存在的问题和挑战进行了分析和展望。

关键词: 钙钛矿, 配位作用, 结晶, 溶剂化

Abstract:

Halide perovskites are ionic semiconductors with outstanding features, such as high defect tolerance, long carrier diffusion length, strong photoluminescence, narrow emission line width, solution processability, and low cost of fabrication. These advantages render them promising candidates for photovoltaics, lasers, displays, and photodetectors. Theoretical and experimental studies have demonstrated that the optical properties of perovskite materials can be strongly affected by their crystal size and dimension. Owing to their ionic nature and low formation energy, perovskites can be synthesized via precipitation. This process typically involves in situ transformation of the precursors with solvent evaporation and/or solvent mixing. It is well known that the physical/chemical properties of solvents play a vital role in determining the size and dimension of the resultant products. Therefore, elucidating the effects of the solvent on perovskite crystallization is crucial for improving the performance of perovskite-based devices. Moreover, the coordination effects between perovskite precursors and solvents are a dominant parameter that influence the crystallization process because the dissolution of perovskite precursors is strongly correlated with the coordination between the perovskite precursors and solvents. Herein, this minireview summarizes recent research advances in comprehending the perovskite precursor-solvent interactions with a focus on the coordination effects. In particular, we have endeavored to discuss the influence of coordination effects on the formation of polycrystalline thin films, quantum dots, and single crystals. It was found that the formation of perovskite-solvent intermediates in coordinated solvents retard the nucleation and growth of perovskite crystals; this proves beneficial for the fabrication of high-quality micrometer-sized perovskite polycrystalline films. Meanwhile, the preformed intermediates contribute to undesired impurities and defects in single crystals and quantum dots. These insights are exceedingly helpful for the crystallization control of perovskites, thus enabling better device performance and enhanced stability. Finally, the minireview discusses the challenges facing perovskite crystallization, along with a short perspective for future studies.

Key words: Perovskite, Coordination effect, Crystallization, Solvation

张欣, 韩登宝, 陈小梅, 陈宇, 常帅, 钟海政. 钙钛矿材料制备中的溶剂配位效应[J]. 物理化学学报, 2021, 37(4), 2008055. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008055

Zhang Xin, Dengbao Han, Xiaomei Chen, Yu Chen, Shuai Chang, Haizheng Zhong. Effects of Solvent Coordination on Perovskite Crystallization[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37(4), 2008055. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008055

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参考文献 63

1	Stranks S. D. ; Snaith H. J. Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 391. doi: 10.1038/nnano.2015.90
2	Saparov B. ; Mitzi D. B. Chem. Rev. 2016, 116, 4558. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00715
3	Ha S. T. ; Su R. ; Xing J. ; Zhang Q. ; Xiong Q. Chem. Sci. 2017, 8, 2522. doi: 10.1039/C6SC04474C
4	Ding L. M. ; Cheng Y. B. ; Tang J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 449.
	丁黎明; 程一兵; 唐江. 物理化学学报, 2018, 34, 449. doi: 10.3866/PKU.WHXB201710121
5	Hintermayr V. A. ; Richter A. F. ; Ehrat F. ; Döblinger M. ; Vanderlinden W. ; Sichert J. A. ; Tong Y. ; Polavarapu L. ; Feldmann J. ; Urban A. S. Adv. Mater. 2016, 28, 9478. doi: 10.1002/adma.201602897
6	Zhu Z. Y. ; Yang Q. Q. ; Gao L. F. ; Zhang L. ; Shi A. Y. ; Sun C. L. ; Wang Q. ; Zhang H. L. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 1610. doi: 10.1021/acs.jpclett.7b00431
7	Tong Y. ; Bladt E. ; Aygüler M. F. ; Manzi A. ; Milowska K. Z. ; Hintermayr V. A. ; Docampo P. ; Bals S. ; UrbanA. S. ; Polavarapu L. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 13887. doi: 10.1002/anie.201605909
8	Kojima A. ; Ikegami M. ; Teshima K. ; Miyasaka T. Chem. Lett. 2012, 41, 397. doi: 10.1246/cl.2012.397
9	Niu Y. W. ; Zhang F. ; Bai Z. ; Dong Y. ; Yang J. ; Liu R. ; Zou B. ; Li J. ; Zhong H. Z. Adv. Opt. Mater. 2015, 3, 112. doi: 10.1002/adom.201400403
10	Chang S. ; Bai Z. ; Zhong H. Z. Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1800380. doi: 10.1002/adom.201800380
11	Sahli F. ; Werner J. ; Kamino B. A. Nat. Mater. 2018, 17, 820. doi: 10.1038/s41563-018-0115-4
12	Yuan M. ; Quan L. N. ; Comin R. ; Walters G. ; Sabatini R. ; Voznyy O. ; Hoogland S. ; Zhao Y. ; Beauregard E. M. ; Kanjanaboos P. ; et al Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 872. doi: 10.1038/nnano.2016.110
13	Xiao J. ; Zhang H. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 1894.
	肖娟; 张浩力. 物理化学学报, 2016, 32, 1894. doi: 10.3866/PKU.WHXB201605034
14	Han D. ; Imran M. ; Zhang M. ; Chang S. ; Wu X. G. ; Zhang X. ; Tang J. L. ; Wang M. ; Ali S. ; Li X. ; et al ACS Nano 2018, 12, 8808. doi: 10.1021/acsnano.8b05172
15	Ji H. ; Xu H. ; Jiang F. ; Bai Z. L. ; Zhong H. Z. International Conference on Display Technology 2019, 50, 411. doi: 10.1002/sdtp.13513
16	Cao Y. ; Wang N. ; Tian H. ; Guo J. ; Wei Y. ; Chen H. ; Miao Y. ; Zou W. ; Pan K. ; He Y ; et al Nature 2018, 562, 249. doi: 10.1038/s41586-018-0576-2
17	Lin K. ; Xing J. ; Quan L. N. ; de Arquer F. P. G. ; Gong X. ; Lu J. ; Xie L. ; Zhao W. ; Zhang D. ; Yan C. ; et al Nature 2018, 562, 245. doi: 10.1038/s41586-018-0575-3
18	Shen Y. ; Cheng L. P. ; Li Y. Q. ; Li W. ; Chen J. D. ; Lee S. T. ; Tang J. X. Adv. Mater. 2019, 31, 1901517. doi: 10.1002/adma.201901517
19	Wang L. ; Dai G. ; Deng L. ; Zhong H. Z. Sci. China Mater. 2020, 63, 1382. doi: 10.1007/s40843-020-1336-6
20	Wei H. ; Fang Y. ; Mulligan P. ; Chuirazzi W. ; Fang H. H. ; Wang C. ; Ecker B. R. ; Gao Y. ; Loi M. A. ; Cao L. ; et al Nat. Photonics 2016, 10, 333. doi: 10.1038/nphoton.2016.41
21	Yakunin S. ; Sytnyk M. ; Kriegner D. ; Shrestha S. ; Richter M. ; Matt G. J. ; Azimi H. ; Brabec C. J. ; Stangl J. ; Kovalenko M. V. Nat. Photonics 2015, 9, 444. doi: 10.1038/nphoton.2015.82
22	Pan W. ; Wu H. ; Luo J. ; Deng Z. ; Ge C. ; Chen C. ; Jiang X. ; Yin W. J. ; Niu G. ; Zhu L. ; et al Nat. Photonics 2017, 11, 726. doi: 10.1038/s41566-017-0012-4
23	Zhu W. ; Ma W. ; Su Y. ; Chen Z. ; Chen X. ; Ma Y. ; Bai L. ; Xiao W. ; Liu T. ; Zhu H. ; et al Light-Sci. Appl. 2020, 9, 112. doi: 10.1038/s41377-020-00353-0
24	Jung M. ; Ji S. G. ; Kim G. ; Seok S. I. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 2011. doi: 10.1039/C8CS00656C
25	Cao X. ; Zhi L. ; Jia Y. ; Li Y. ; Zhao K. ; Cui X. ; Ci L. ; Zhuang D. ; Wei J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 7639. doi: 10.1021/acsami.8b16315
26	Li W. ; Wang Z. ; Deschler F. ; Gao S. ; Friend R. H. ; Cheetham A. K. Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 16099. doi: 10.1038/natrevmats.2016.99
27	Cho H. ; Kim Y. H. ; Wolf C. ; Lee H. D. ; Lee T. W. Adv. Mater. 2018, 30, 1704587. doi: 10.1002/adma.201704587
28	Sugimoto T. Adv. Colloid Interface Sci. 1987, 28, 65. doi: 10.1016/0001-8686(87)80009-X
29	Zhang F. ; Chen C. ; Kershaw S. V. ; Xiao C. ; Han J. ; Zou B. ; Wu X. ; Chang S. ; Dong Y. ; Rogach A. L. ; et al Chem Nano Mater 2017, 3, 303. doi: 10.1021/acsami.8b05664
30	Saidaminov M. I. ; Abdelhady A. L. ; Maculan G. ; Bakr O. M. Chem. Commun. 2015, 51, 176581. doi: 10.1039/C5CC06916E
31	Dang Y. ; Liu Y. ; Sun Y. ; Yuan D. ; Liu X. ; Lu W. ; Liu G. ; Xia H. ; Tao X. CrystEngComm 2015, 17, 665. doi: 10.1039/C4CE02106A
32	Yan K. ; Long M. ; Zhang T. ; Wei Z. ; Chen H. ; Yang S. ; Xu J. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4460. doi: 10.1021/jacs.5b00321
33	Wu Y. ; Islam A. ; Yang X. ; Qin C. ; Liu J. ; Zhang K. ; Peng W. ; Han L. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2934. doi: 10.1039/C4EE01624F
34	Yang W. S. ; Noh J. H. ; Jeon N. J. ; Kim Y. C. ; Ryu S. ; Seo J. ; Seok S. I. Science 2015, 348, 1234. doi: 10.1126/science.aaa9272
35	Lee J. W. ; Kim H. S. ; Park N. G. Acc. Chem. Res. 2016, 49, 311. doi: 10.1021/acs.accounts.5b00440
36	Stamplecoskie K. G. ; Manser J. S. ; Kamat P. V. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 208. doi: 10.1039/C4EE02988G
37	Jo Y. ; Oh K. S. ; Kim M. ; Kim K. H. ; Lee H. ; Lee C. W. ; Kim D. S. Adv. Mater. Interfaces 2016, 3, 1500768. doi: 10.1002/admi.201500768
38	Li B. ; Binks D. ; Cao G. ; Tian J. Small 2019, 15, 1903613. doi: 10.1002/smll.201903613
39	Hamill J. C. ; Schwartz J. ; Loo Y. L. ACS Energy Lett. 2018, 3, 92. doi: 10.1021/acsenergylett.7b01057
40	Fang Y. ; Dong Q. ; Shao Y. ; Yuan Y. ; Huang J. Nat. Photonics 2015, 9, 679. doi: 10.1038/nphoton.2015.156
41	Liu Y. ; Yang Z. ; Liu S. Adv. Sci. 2018, 5, 1700471. doi: 10.1002/advs.201700471
42	Ding J. ; Yan Q. F. Sci. China Mater. 2017, 60, 1063. doi: 10.1007/s40843-017-9039-8
43	Shi D. ; Adinolfi V. ; Comin R. ; Yuan M. ; Alarousu E. ; Buin A. ; Chen Y. ; Hoogland S. ; Rothenberger A. ; Katsiev K. Science 2015, 347, 519. doi: 10.1126/science.aaa2725
44	Lu Q. R. ; Li J. ; Lian Z. P. ; Zhao H. Y. ; Dong G. F. ; Li Q. ; Wang L. D. ; Yan Q. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 249.
	吕乾睿; 李晶; 廉志鹏; 赵昊岩; 董桂芳; 李强; 王立铎; 严清峰. 物理化学学报, 2017, 33, 249. doi: 10.3866/PKU.WHXB201610142
45	Chen X. ; Zhang F. ; Ge Y. ; Shi L. ; Huang S. ; Tang J. ; Lv Z. ; Zhang L. ; Zou B. ; Zhong H. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706567. doi: 10.1002/adfm.201706567
46	Wang Y. L. ; Chang S. ; Chen X. M. ; Ren Y. D. ; Shi L. F. ; Liu Y. H. ; Zhong H. Z. Chin. J. Chem. 2019, 37, 616. doi: 10.1002/cjoc.201900071
47	Lian Z. ; Yan Q. ; Gao T. ; Ding J. ; Lv Q. ; Ning C. ; Li Q. ; Sun J. L. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 9409. doi: 10.1021/jacs.6b05683
48	Han Q. ; Bae S. H. ; Sun P. ; Hsieh Y. T. ; Yang Y. ; Rim Y. S. ; Zhao H. ; Chen Q. ; Shi W. ; Li G. Adv. Mater. 2016, 28, 2253. doi: 10.1021/jacs.6b05683
49	Nayak P. K. ; Moore D. T. ; Wenger B. ; Nayak S. ; Haghighirad A. A. ; Fineberg A. ; Noel N. K. ; Reid O. G. ; Rumbles G. ; Kukura P ; et al Nat. Commun. 2016, 7, 13303. doi: 10.1038/ncomms13303
50	Zhang F. ; Zhong H. Z. ; Chen C. ; Wu X. G. ; Hu X. ; Huang H. ; Han J. ; Zou B. ; Dong Y. ACS Nano 2015, 9, 4533. doi: 10.1021/acsnano.5b01154
51	Protesescu L. ; Yakunin S. ; Bodnarchuk M. I. ; Krieg F. ; Caputo R. ; Hendon C. H. ; Yang R. X. ; Walsh A. ; Kovalenko M. V. Nano Lett. 2015, 15, 3692. doi: 10.1021/nl5048779
52	Zhang F. ; Huang S. ; Wang P. ; Chen X. ; Zhao S. ; Dong Y. ; Zhong H. Chem. Mater. 2017, 29, 3793. doi: 10.1021/acs.chemmater.7b01100
53	Liu M. ; Zhao J. ; Luo Z. ; Sun Z. ; Pan N. ; Ding H. ; Wang X. Chem. Mater. 2018, 30, 5846. doi: 10.1021/acs.chemmater.8b00537
54	Li L. ; Chen Y. ; Liu Z. ; Chen Q. ; Wang X. ; Zhou H. Adv. Mater. 2016, 28, 9862. doi: 10.1002/adma.201603021
55	Wharf I. ; Gramstad T. ; Makhija R. ; Onyszchuk M. Can. J. Chem. 1976, 54, 3430. doi: 10.1139/v76-493
56	Miyamae H. ; Numahata Y. ; Nagata M. Chem. Lett. 1980, 9, 663. doi: 10.1246/cl.1980.663
57	Jeon N. J. ; Noh J. H. ; Kim Y. C. ; Yang W. S. ; Ryu S. ; Seok S. I. Nat. Mater. 2014, 13, 897. doi: 10.1038/nmat4014
58	Rong Y. ; Tang Z. ; Zhao Y. ; Zhong X. ; Venkatesan S. ; Graham H. ; Patton M. ; Jing Y. ; Guloy A. M. ; Yao Y. Nanoscale 2015, 7 (24), 10595. doi: 10.1039/C5NR02866C
59	Lee J. W. ; Dai Z. ; Lee C. ; Lee H. M. ; Han T. H. ; De Marco N. ; Lin O. ; Choi C. S. ; Dunn B. ; Koh J. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6317. doi: 10.1021/jacs.8b01037
60	Zhang X. ; Han D. ; Wang C. ; Muhammad I. ; Zhang F. ; Shmshad A. ; Xue X. ; Ji W. ; Chang S. ; Zhong H. Adv. Opt. Mater. 2019, 7, 1900774. doi: 10.1002/adom.201900774
61	Chao L. ; Niu T. ; Gu H. ; Yang Y. ; Wei Q. ; Xia Y. ; Hui W. ; Zuo S. ; Zhu Z. ; Pei C. ; et al Research 2020, 2616345. doi: 10.34133/2020/2616345
62	Chao L. ; Xia Y. ; Li B. ; Xing G. ; Chen Y. ; Huang W. Chem 2019, 5, 995. doi: 10.1016/j.chempr.2019.02.025
63	Lin Y. H. ; Sakai N. ; Da P. ; Wu J. ; Sansom H. C. ; Ramadan A. J. ; Mahesh S. ; Liu J. ; Oliver R. D. J. ; Lim J. ; et al Science 2020, 369, 96. doi: 10.1126/science.aba1628

Solvent	PbI₂	MAI	MAPbI₃
Methanol	×	√
Ethanol	×	√
Toluene	×	×	×
N-hexane	×	×	×
Tetrahydrofuran		√
N, N dimethylformamide	√	√	√
acetone		√
Chloroform	×	×	×
Dichloromethane	×	×	×
Isopropanol	×	√
Acetonitrile	×	√	√
√ soluble, × insoluble, partially soluble.

[1]	Faizan Muhammad, 赵国琪, 张天旭, 王啸宇, 贺欣, 张立军. 空位有序双钙钛矿A₂BX₆的弹性和热电性质的第一性原理研究[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2303004 - .
[2]	胡荣, 韦丽云, 鲜靖林, 房光钰, 吴植傲, 樊淼, 郭家越, 李青翔, 刘凯思, 姜会钰, 徐卫林, 万骏, 姚永刚. 微波热冲快速制备二维多孔La_0.2Sr_0.8CoO₃钙钛矿用于高效电催化析氧反应[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212025 -0 .
[3]	梁秋菊, 常银霞, 梁朝伟, 祝浩雷, 郭子宾, 刘剑刚. 结晶动力学策略在非富勒烯体系太阳能电池形貌调控领域的应用[J]. 物理化学学报, 2023, 39(7): 2212006 -0 .
[4]	杨帅, 徐瑜歆, 郝子坤, 秦胜建, 张润鹏, 韩钰, 杜利伟, 朱紫洢, 杜安宁, 陈欣, 吴昊, 乔冰冰, 李坚, 王艺, 孙昺晨, 闫融融, 赵晋津. 高效医学传感钙钛矿材料研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(5): 2211025 -0 .
[5]	文永涛, 李静, 高晓峰, 田聪聪, 朱昊, 余国木, 张晓俐, Park Hyesung, 黄福志. 控制碘化铅形貌两步连续刮涂法大面积制备甲脒基钙钛矿薄膜[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2203048 -0 .
[6]	齐亚娥, 夏永姚. 电解液调控策略提升水系锌离子电池正极材料电化学性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2205045 -0 .
[7]	张涛, 龚思敏, 陈平, 陈琪, 陈立桅. 利用多氟丙烯酸酯添加剂提升准二维钙钛矿发光二极管性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2301024 - .
[8]	任书霞, 杨铮, 安帅领, 孟婕, 刘晓敏, 赵晋津. 高效光电调控钙钛矿量子点阻变存储性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2301033 - .
[9]	庄必浩, 靳子骢, 田德华, 朱遂意, 曾琳茜, 范建东, 娄在祝, 李闻哲. 新型(4-HBA)SbX₅∙H₂O类钙钛矿单晶及其卤素结构对发光特性的调控[J]. 物理化学学报, 2023, 39(1): 2209007 -0 .
[10]	卢岳, 葛杨, 隋曼龄. 紫外光辐照下CH₃NH₃PbI₃基钙钛矿太阳能电池失效机制[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2007088 - .
[11]	林飞宇, 杨英, 朱从潭, 陈甜, 马书鹏, 罗媛, 朱刘, 郭学益. 湿空气下制备稳定的CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池[J]. 物理化学学报, 2022, 38(4): 2005007 - .
[12]	查吴送, 张连萍, 文龙, 康嘉晨, 骆群, 陈沁, 杨上峰, 马昌期. 溶剂工程调控钙钛矿薄膜中PbI₂和PbI₂(DMSO)的形成[J]. 物理化学学报, 2022, 38(3): 2003022 - .
[13]	何子旭, 陈亚威, 黄凡洋, 揭育林, 李新鹏, 曹瑞国, 焦淑红. 氟代溶剂在锂金属电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(11): 2205005 - .
[14]	李艳, 胡星盛, 黄静伟, 王磊, 佘厚德, 王其召. 铁基多相助催化剂光电化学水氧化研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2009022 - .
[15]	王则鉴, 洪佳佳, Ng Sue-Faye, 刘雯, 黄俊杰, 陈鹏飞, Ong Wee-Jun. 氧化物钙钛矿的光催化研究进展：CO₂还原、水裂解、固氮[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2011033 - .