一种钙钛矿薄膜的快速制备方法及其应用技术

本发明专利技术公布一种钙钛矿薄膜的快速制备方法及其应用，利用热气体干燥法实现晶体快速生长，得到平整致密的高质量钙钛矿薄膜；包括：配制含铅材料(醋酸铅、氧化铅、氢氧化铅、硫酸铅、碳酸铅、硝酸铅、(次)磷酸铅、氯化铅、碘化铅、溴化铅中至少一种)与有机卤盐(甲胺碘、甲脒碘、甲胺溴、甲脒溴、甲胺氯、甲脒氯中至少一种)的混合溶液，作为钙钛矿前驱液；沉积在基底上；利用干燥的热气体快速吹干沉积在基底上的钙钛矿前驱液，形成平整致密的钙钛矿薄膜。本发明专利技术高效低成本，适应于大规模工业化生产，得到的钙钛矿薄膜可以应用在太阳能电池、发光二极管、光敏二极管、激光器、薄膜晶体管、光电探测器、微传感器件等诸多光电功能器件领域。

Fast preparation method of perovskite film and application thereof

The invention discloses a rapid method for the preparation and application of Perovskite Thin Films for crystal growth by hot air drying, high quality dense Perovskite Thin Films; preparation of lead materials (including: lead acetate, lead oxide, lead oxide, lead sulfate, hydrogen carbon acid lead, lead nitrate and lead phosphate, chloride (Times) lead, lead iodide, bromide lead in at least one) and organic halogen (methylamine salt iodine, iodine, bromine, methyl formamidine formamidine bromine, chlorine and chlorine in methylamine formamidine at least one) mixed solution as perovskite precursor solution; deposition on substrate; perovskite precursor solution by hot gas dry fast dry deposition on a substrate, forming dense Perovskite Thin films. The invention of high efficiency and low cost, suitable for large-scale industrialized production, the perovskite thin films can be used in solar cells, light emitting diodes, photodiodes, lasers, thin film transistor, photoelectric detector, micro sensor devices and other optoelectronic device field.

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿薄膜的快速制备方法及其应用
本专利技术属于光电功能材料与器件领域，具体涉及一种快速制备钙钛矿材料薄膜的方法、钙钛矿薄膜及钙钛矿材料薄膜的相关应用。
技术介绍
近年来，环境污染和能源危机日益加剧，开发并利用新型清洁能源技术迫在眉睫。而太阳能电池由于具备清洁、高效、可持续性等突出优势备受关注。在众多的太阳能电池中，有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池，近几年发展迅猛光电转换效率从2009年的3.8％提升到现如今的21％。该类太阳能电池，在2013年被美国《科学(science)》杂志评为十大科技进展之一，这一系列的研究进展表明，有机无机钙钛矿太阳能电池能作为将来主要是清洁能源。钙钛矿材料因其原料丰富，光电性能优越，成本低廉，可溶液加工等优势，已在太阳能电池、发电二极管、光敏二极管、激光器以及晶体管等诸多领域得到了广泛研究。传统制备钙钛矿薄膜的方法包括蒸镀法和溶液法。蒸镀法因为其设备昂贵，原料利用率低下，使得其成本较高而应用较少。溶液法制备钙钛矿太阳能电池分为一步法和两步法，传统工艺上均是基于匀胶机将钙钛矿前驱体液旋涂成膜，而后在热台上进行退火处理，除去溶液中的溶剂并使其晶化得到薄膜。为得到平整致密的钙钛矿薄膜，一般会在旋涂过程使用二次溶剂处理，褪火后再进行N,N-二甲基甲酰胺溶剂或者甲胺气体氛围再生长等方法，来减少钙钛矿薄膜的针孔和针状结晶等，从而提高钙钛矿薄膜的质量和相应的光电性质。这不仅对环境要求严苛，一般要求在干燥的空气环境中(湿度小于20％)或者在充满氮气或惰性气体手套箱里完成，而且极大地限制了加工工艺的选取。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种快速制备钙钛矿材料薄膜的方法、钙钛矿薄膜及钙钛矿材料薄膜的相关应用，采用热气体干燥法制备钙钛矿薄膜，实现晶体快速生长，得到平整致密的高质量薄膜；本专利技术制备方法高效低成本且工艺简单；基于本专利技术得到的钙钛矿薄膜可以应用在太阳能电池等诸多光电功能器件领域。本专利技术提供的技术方案是：一种钙钛矿薄膜的快速制备方法，利用热气体干燥法实现晶体快速生长，制备得到平整致密的高质量钙钛矿薄膜，包括如下步骤：1)配制含铅材料与有机卤盐的混合溶液，作为钙钛矿前驱液；所述钙钛矿前驱液为热溶液或冷溶液；所述热溶液的温度为35℃～120℃；所述冷溶液的温度为20℃～30℃；2)通过沉积方法将步骤1)所述钙钛矿前驱液沉积在基底上；所述基底包括柔性基底或刚性基底；3)利用干燥的热气体快速吹干步骤2)所述沉积在柔性基底或刚性基底上的钙钛矿前驱液，形成平整致密的钙钛矿薄膜。针对上述钙钛矿薄膜的快速制备方法，进一步地，步骤1)所述含铅材料为醋酸铅、氧化铅、氢氧化铅、硫酸铅、碳酸铅、硝酸铅、(次)磷酸铅、氯化铅、碘化铅、溴化铅中至少一种；所述有机卤盐为甲胺碘、甲脒碘、甲胺溴、甲脒溴、甲胺氯、甲脒氯中至少一种。针对上述钙钛矿薄膜的快速制备方法，进一步地，步骤1)所述钙钛矿前驱液的溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、γ-丁内酯、N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、甲醇、乙醇、二-甲氧基乙醇、二-乙氧基乙醇、氯仿、甲苯、氯苯和二氯苯中的一种或多种。针对上述钙钛矿薄膜的快速制备方法，进一步地，在步骤1)所述钙钛矿前驱液中可选择性掺入水、盐酸、氢碘酸、磷酸、次磷酸、乙酸、氯化铯、溴化铯、碘化铯、碳酸铯中的一种或多种，作为添加剂。针对上述钙钛矿薄膜的快速制备方法，进一步地，步骤2)所述基底在沉积之前可预先进行热处理；所述柔性基底为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚醚酰亚胺(PEI)；所述刚性基底为ITO透明电极、FTO透明电极、金属纳米线/氧化物混合透明电极、氧化物/金属/氧化物多级结构透明电极、合金、金属电极和碳材料、白玻璃刚性基底中至少一种；所述沉积方法包括狭缝涂布、丝网印刷、打印、喷涂、刮涂和旋涂中的一种或多种。针对上述钙钛矿薄膜的快速制备方法，进一步地，在步骤2)所述通过沉积方法将钙钛矿前驱液沉积在基底上之前，先在基底上表面沉积二氧化钛、氧化锌、聚3,4-乙撑二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐、氧化锌锡、二氧化锡、聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺、4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物、聚乙烯咔唑、金属酞箐分子材料、富勒烯、石墨烯、氧化镍、五氧化二钒、硫氰化铜、碘化亚铜、硫化锌、二硫化钼、氧化铬、氧化钼、富勒烯衍生物、2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]、2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌中的一种或多种。针对上述钙钛矿薄膜的快速制备方法，进一步地，步骤3)所述干燥的热气体包括氩气、氮气、氧气、干燥热空气中的一种或多种。针对上述钙钛矿薄膜的快速制备方法，进一步地，在步骤3)所述形成钙钛矿薄膜之后，对形成的钙钛矿薄膜进行50℃～150℃的热退火处理1～120min。本专利技术还提供一种利用权利要求1所述钙钛矿薄膜的快速制备方法制备得到的钙钛矿薄膜。此外，可将使用上述钙钛矿薄膜的快速制备方法制备得到的钙钛矿薄膜应用于太阳能电池、发光二极管、光敏二极管、激光器、薄膜晶体管、光电探测器或微传感器件的制备。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术采用热气体干燥法制备钙钛矿薄膜，可以实现有机无机钙钛矿晶体快速生长，得到了平整致密的高质量薄膜，同时操作工艺简单，对环境和设备要求较低。消除了二次溶剂处理或晶体二次生长的后处理等过程，简化了薄膜制备流程。因此，本专利技术高效低成本，适应于大规模工业化生产，基于本专利技术得到的钙钛矿薄膜可以应用在太阳能电池、发光二极管、光敏二极管、激光器、薄膜晶体管、光电探测器、微传感器件等诸多光电功能器件领域。附图说明图1为本专利技术提供的热气体干燥法制备钙钛矿薄膜的流程框图。图2为本专利技术实施例一中采用热气体干燥法制备得到的钙钛矿薄膜的微结构表征图；其中，(a)为薄膜晶体结构的X射线衍射图(X-raydiffraction，XRD)，其中横坐标为X射线衍射角，纵坐标为衍射强度；(b)为扫描电子显微镜的形貌图(Scanningelectronmicroscope，SEM图)，其中右下角白色标尺大小为1微米。具体实施方式下面结合附图，通过实施例进一步描述本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术的范围。本专利技术提供了一种在空气中可直接快速制备钙钛矿薄膜的方法，图1为本专利技术提供的热气体干燥法制备钙钛矿薄膜的流程框图，包括：首先配制含铅材料与有机卤盐的混合溶液，含铅材料为醋酸铅、氧化铅、氢氧化铅、硫酸铅、碳酸铅、硝酸铅、(次)磷酸铅、氯化铅、碘化铅、溴化铅中至少一种；有机卤盐为甲胺碘、甲脒碘、甲胺溴、甲脒溴、甲胺氯、甲脒氯中至少一种。然后以混合溶液作为前驱液，通过狭缝涂布，丝网印刷，打印，喷涂，刮涂，旋涂等技术将前驱液沉积在柔性基底或刚性基底上，再利用干燥的热气体快速吹干，形成平整致密的钙钛矿薄膜。作为本专利技术的一种实施方式，优选的，前驱液中的含铅材料包括醋酸铅、氧化铅、氢氧化铅、硫酸铅、碳酸铅、硝酸铅、(次)磷酸铅、氯化铅、碘化铅、溴化铅中的一种或多种；有机卤盐包括甲胺碘、甲脒碘、甲胺溴、甲脒溴、甲胺氯、甲脒氯一种或多种。前驱液溶剂包括N,N-二甲基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钙钛矿薄膜的快速制备方法，利用热气体干燥法实现晶体快速生长，制备得到平整致密的高质量钙钛矿薄膜，包括如下步骤：1)配制含铅材料与有机卤盐的混合溶液，作为钙钛矿前驱液；所述钙钛矿前驱液为热溶液或冷溶液；所述热溶液的温度为35℃～120℃；所述冷溶液的温度为20℃～30℃；2)通过沉积方法将步骤1)所述钙钛矿前驱液沉积在基底上；所述基底包括柔性基底或刚性基底；3)利用干燥的热气体快速吹干步骤2)所述沉积在柔性基底或刚性基底上的钙钛矿前驱液，形成平整致密的钙钛矿薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿薄膜的快速制备方法，利用热气体干燥法实现晶体快速生长，制备得到平整致密的高质量钙钛矿薄膜，包括如下步骤：1)配制含铅材料与有机卤盐的混合溶液，作为钙钛矿前驱液；所述钙钛矿前驱液为热溶液或冷溶液；所述热溶液的温度为35℃～120℃；所述冷溶液的温度为20℃～30℃；2)通过沉积方法将步骤1)所述钙钛矿前驱液沉积在基底上；所述基底包括柔性基底或刚性基底；3)利用干燥的热气体快速吹干步骤2)所述沉积在柔性基底或刚性基底上的钙钛矿前驱液，形成平整致密的钙钛矿薄膜。2.如权利要求1所述钙钛矿薄膜的快速制备方法，其特征是，步骤1)所述含铅材料为醋酸铅、氧化铅、氢氧化铅、硫酸铅、碳酸铅、硝酸铅、(次)磷酸铅、氯化铅、碘化铅、溴化铅中至少一种；所述有机卤盐为甲胺碘、甲脒碘、甲胺溴、甲脒溴、甲胺氯、甲脒氯中至少一种。3.如权利要求1所述钙钛矿薄膜的快速制备方法，其特征是，步骤1)所述钙钛矿前驱液的溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、γ-丁内酯、N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、甲醇、乙醇、二-甲氧基乙醇、二-乙氧基乙醇、氯仿、甲苯、氯苯和二氯苯中的一种或多种。4.如权利要求1所述钙钛矿薄膜的快速制备方法，其特征是，在步骤1)所述钙钛矿前驱液中掺入水、盐酸、氢碘酸、磷酸、次磷酸、乙酸、氯化铯、溴化铯、碘化铯、碳酸铯中的一种或多种作为添加剂。5.如权利要求1所述钙钛矿薄膜的快速制备方法，其特征是，步骤2)所述基底在沉积之前可预先进行热处理；所述柔性基底为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚醚酰亚胺(PEI)；所述刚性基底为I...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱瑞，龚旗煌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11