一种择优取向生长的锡铅二元钙钛矿薄膜的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种择优取向生长的锡铅二元钙钛矿薄膜的制备方法，利用一步旋涂法制备锡铅二元钙钛矿薄膜的过程中，将添加剂工程和超声波外力相结合，对前驱体溶液进行处理。通过在前驱体溶液中加入固体添加剂酒石酸，可以稳定钙钛矿晶体结构的同时延缓结晶速度，进一步采用超声处理，可以在薄膜晶体生长过程中实现不同晶面可控的择优生长，改善锡铅二元钙钛矿多晶薄膜的结晶质量。用所制得的具有(224)择优取向的锡铅二元钙钛矿薄膜制作倒置结构钙钛矿太阳电池，电池结构为ITO/PEDOT:PSS/MA

Preparation and application of a kind of Sn Pb binary perovskite film grown by preferred orientation

【技术实现步骤摘要】
一种择优取向生长的锡铅二元钙钛矿薄膜的制备方法及应用
本专利技术属于纳米功能材料
，具体的说是一种择优取向生长的锡铅二元钙钛矿薄膜的制备方法，该方法表现为调控低毒锡铅二元钙钛矿吸收层的生长过程，实现从(110)晶面到(224)晶面可控的择优取向生长及相应钙钛矿太阳电池的构筑。
技术介绍
多晶钙钛矿材料由于其优异的光电性质，如较高的体迁移率、微米级扩散长度、较大的吸收系数等特点，可广泛的应用于太阳能电池、发光二极管，量子点等新兴领域中。截至目前，钙钛矿太阳电池以廉价的制作成本，不断突破的光伏特性吸引了众多研究人员的广泛关注。其中，为进一步实现高性能器件的制备，研究人员发现，通过改善吸收层质量、优化电荷传输层材料以及界面特性等是推动其光伏性能不断提升的重要手段。此外，实现钙钛矿多晶薄膜不同晶面的择优生长也成为改善吸收层光电性质的重要研究方向之一。为此，采取有效的措施调控晶面的择优取向有望进一步提升器件的光伏特性。同时为加速其商业化进程，开发新型低毒/无毒钙钛矿材料体系也是十分有意义的。目前，锡是最有望成为替代毒性物质铅来实现高性能钙钛矿吸收层制备的材料之一。然而，研究表明即使在氧气含量很少的情况下，Sn2+仍容易被氧化成Sn4+的特性能够破坏钙钛矿的结构，此外，溶质MAI和SnI2之间快速的结合导致过快的结晶速率也最终限制了锡基和锡铅二元器件光伏性能的提升。也就是说，如何克服或抑制上述现象带来的不良影响以实现高质量吸收层和高性能光伏器件的制备成为当前面临的技术难题之一。经过分析，研究人员发现，与传统的铅系钙钛矿材料体系相比，对于锡基以及锡铅二元钙钛矿吸收层这类结晶速度异常迅速的体系来说，在利用一步旋涂工艺制备吸收层薄膜的过程中，通过控制旋涂过程来调控晶体生长动力学几乎是不可能实现的，也就很难进一步实现吸收层薄膜质量的优化。相比而言，采取有效的手段调控钙钛矿前驱体溶液的状态及特性有望改变多晶薄膜的晶体生长动力学。特别是对于钙钛矿多晶材料而言，各晶面不同的择优取向程度极大的影响着薄膜中载流子的传输和分离。经了解，在多晶钙钛矿薄膜的制备过程中，通过精准的控制热温度梯度，调节中间体以及施加外力是有望实现钙钛矿多晶材料不同晶面择优生长的重要方法。对于钙钛矿体系来说，通过向前驱体溶液中添加适量的络合剂来调节中间体的形成能够在一定程度上改善薄膜质量的同时并稳定钙钛矿结构。然而，如何在保证吸收层薄膜质量的同时进一步实现不同晶面可控的择优取向生长以进一步提升钙钛矿吸收层的光电性质是当前面临的另一技术难题。目前，少数探索性例如元素掺杂，添加剂工程等工作已经在铅系钙钛矿体系中开展并实现了不同晶面的择优生长，但对于不同晶面可控的择优取向生长来说仍然很难实现，也就是说，在不牺牲薄膜质量的前提下，实现可控的晶体择优生长有望进一步提升其器件的光伏性能。因此，迫切需要采用一项有效的措施来实现锡铅二元吸收层薄膜可控的择优生长，为器件性能进一步提升提供可靠的制备方案。
技术实现思路
针对目前锡铅低毒二元钙钛矿多晶材料体系结晶速度过快所导致的薄膜光电特性较差以及大量的Sn2+被氧化成Sn4+时能够严重破坏三维钙钛矿结构等问题极大地限制了此类钙钛矿光伏器件性能的提升。为此，本专利技术提供了一种择优取向生长的锡铅二元钙钛矿薄膜的制备方法，该方法实现(110)晶面到(224)晶面可控的择优取向生长，用来进一步改善薄膜的光电性质从而提升器件的光伏性能。本专利技术采用的技术方案是：一种择优取向生长的锡铅二元钙钛矿薄膜的制备方法，该方法通过利用功能性添加剂酒石酸以及结合超声外力的使用，改善吸收层薄膜的理化性能，进而提升器件光伏特性，包括以下步骤：1、基底材料PEDOT:PSS的制备：将清洁的ITO透明导电玻璃进行紫外臭氧处理20分钟以提升其表面浸润性的同时并去除其表面-OH等官能团，待ITO冷却至室温后将80μLPEDOT:PSS(AI4083)原溶液滴在ITO表面并静置5-15s,随后以500rpm低速旋涂10s，4000rpm高速旋涂60s进行处理，随后将此材料在140℃烤焦台上加热10分钟以完成空穴传输层PEDOT:PSS的制备，最后将制备好的PEDOT:PSS薄膜进行紫外臭氧处理20分钟，冷却至室温后移至手套箱中备用。2、含有固体添加剂酒石酸的MA0.9Cs0.1Pb0.75Sn0.25I3锡铅二元钙钛矿前驱体溶液的配置：在氧气含量为5.3ppm，水汽含量为4.3ppm的手套箱中分别称取1.105mmol碘化铅和1.1mmol甲基碘化铵溶于含有700μLN,N-二甲基甲酰胺和300μL二甲基亚砜的混合溶剂中制备出1.1M的MAPbI3钙钛矿溶液A1，称取1.1mmol甲基碘化铵和1.105mmol碘化亚锡溶于800μLN,N-二甲基甲酰胺和200μL二甲基亚砜的混合溶剂中制备1.1M的MASnI3钙钛矿溶液B1，同样称取1.1mmol的碘化铯和1.105mmol碘化亚锡溶于800μLN,N-二甲基甲酰胺和200μL二甲基亚砜的混合溶剂中制备1.1M的CsSnI3钙钛矿溶液C1，分别向上述配置的B1和C1溶液中加入5％～15％mmol的固体添加剂酒石酸配置成含有酒石酸的MASnI3钙钛矿溶液B2和CsSnI3钙钛矿溶液C2，随后分别将所配置的A1,B2和C2钙钛矿溶液在室温下搅拌30分钟，待溶质充分溶解后取750μLA1,150μLB2以及100μLC2钙钛矿溶液混合后制备出1mL含有固体添加剂酒石酸的MA0.9Cs0.1Pb0.75Sn0.25I3的锡铅二元钙钛矿前驱体溶液。3、前驱体超声处理：将步骤2中制备好的含有固体添加剂酒石酸的MA0.9Cs0.1Pb0.75Sn0.25I3的锡铅二元钙钛矿前驱体溶液放置瓶中，将瓶口密封严实后，移出手套箱，并进一步进行超声处理，将超声机的超声频率设置为45KHz,超声功率为60％，在超声过程中，控制超声机中水的温度为20℃-35℃之间，对锡铅二元钙钛矿前驱体溶液超声5-25分钟。在步骤3超声处理过程中，超声时间为10分钟时，(110)晶面的择优生长仍然占据主导，但(224)晶面生长状况得到提升，当超声时间控制到15分钟时，有利于(224)晶面完全的择优生长。4、锡铅二元钙钛矿薄膜制备：采用一步旋涂法工艺在PEDOT:PSS薄膜上制备锡铅二元钙钛矿薄膜，抽取75μL步骤3中经过超声处理后的含有酒石酸的MA0.9Cs0.1Pb0.75Sn0.25I3的锡铅二元钙钛矿前驱体溶液，滴到步骤1准备好的PEDOT:PSS薄膜上，静置0-10s后，先以500rpm低速旋涂3s后，再以4000rpm高速旋涂30s，并在程序结束前15s滴加400μL氯苯，最后在120℃烤焦台上加热10分钟，获得MA0.9Cs0.1Pb0.75Sn0.25I3钙钛矿吸收层薄膜。所述PEDOT:PSS空穴传输层厚度40-80nm。所述MA0.9Cs0.1Pb0.75Sn0.25I3钙钛矿层厚度为400-600nm。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术根据路易斯酸碱理论，在晶体成核动力学中，通过向前驱体溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种择优取向生长的锡铅二元钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：/n(1)、基底材料PEDOT:PSS的制备：将清洁的ITO透明导电玻璃进行紫外臭氧处理20分钟以提升其表面浸润性的同时并去除其表面-OH等官能团，待ITO冷却至室温后将80μLPEDOT:PSS(AI4083)原溶液滴在ITO表面并静置5-15s,随后以500rpm低速旋涂10s，4000rpm高速旋涂60s进行处理，随后将此材料在140℃烤焦台上加热10分钟以完成空穴传输层PEDOT:PSS的制备，最后将制备好的PEDOT:PSS薄膜进行紫外臭氧处理20分钟，冷却至室温后移至手套箱中备用；/n(2)、含有固体添加剂酒石酸的MA

【技术特征摘要】
1.一种择优取向生长的锡铅二元钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)、基底材料PEDOT:PSS的制备：将清洁的ITO透明导电玻璃进行紫外臭氧处理20分钟以提升其表面浸润性的同时并去除其表面-OH等官能团，待ITO冷却至室温后将80μLPEDOT:PSS(AI4083)原溶液滴在ITO表面并静置5-15s,随后以500rpm低速旋涂10s，4000rpm高速旋涂60s进行处理，随后将此材料在140℃烤焦台上加热10分钟以完成空穴传输层PEDOT:PSS的制备，最后将制备好的PEDOT:PSS薄膜进行紫外臭氧处理20分钟，冷却至室温后移至手套箱中备用；
(2)、含有固体添加剂酒石酸的MA0.9Cs0.1Pb0.75Sn0.25I3锡铅二元钙钛矿前驱体溶液的配置：在氧气含量为5.3ppm，水汽含量为4.3ppm的手套箱中分别称取1.105mmol碘化铅和1.1mmol甲基碘化铵溶于含有700μLN,N-二甲基甲酰胺和300μL二甲基亚砜的混合溶剂中制备出1.1M的MAPbI3钙钛矿溶液A1，称取1.1mmol甲基碘化铵和1.105mmol碘化亚锡溶于800μLN,N-二甲基甲酰胺和200μL二甲基亚砜的混合溶剂中制备1.1M的MASnI3钙钛矿溶液B1，同样称取1.1mmol的碘化铯和1.105mmol碘化亚锡溶于800μLN,N-二甲基甲酰胺和200μL二甲基亚砜的混合溶剂中制备1.1M的CsSnI3钙钛矿溶液C1，分别向上述配置的B1和C1溶液中加入5％～15％mmol的固体添加剂酒石酸配置成含有酒石酸的MASnI3钙钛矿溶液B2和CsSnI3钙钛矿溶液C2，随后分别将所配置的A1,B2和C2钙钛矿溶液在室温下搅拌30分钟，待溶质充分溶解后取750μLA1,150μLB2以及100μLC2钙钛矿溶液混合后制备出1mL含有固体添加剂酒石酸的MA0.9Cs0.1Pb0.75Sn0.25I3的锡铅二元钙钛矿前驱体溶液；
(3)、前驱体超声处理：将步骤2中制备好的含有固体添加剂酒石酸的MA0.9Cs0.1Pb0.7...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽丽，孙岩森，王奉友，孙云飞，范琳，庞振宇，杨景海，
申请(专利权)人：吉林师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22