一种溶剂浴辅助热处理改善钙钛矿薄膜质量的方法技术

本发明专利技术一种溶剂浴辅助热处理改善钙钛矿薄膜质量的方法，属于新材料技术领域；首先，采用旋涂法制备钙钛矿薄膜；然后，将钙钛矿薄膜浸没于极性溶剂和非极性溶剂的混合溶剂中，其中极性溶剂所占体积比0.1％‑10％；最后，将放入钙钛矿薄膜的混合溶剂加热到80‑200℃，保温时间为10‑120分钟；保温后待其自然冷却，将钙钛矿薄膜从混合溶剂中取出，再用非极性溶剂清洗，用惰性气体吹干，并放在加热台上将所述钙钛矿薄膜加热干燥，最后获得改善的钙钛矿薄膜。本发明专利技术还可以用于提高钙钛矿单晶或微晶的表面特性，降低表面缺陷和成分偏析，获得高质量的钙钛矿晶体表面。

【技术实现步骤摘要】
一种溶剂浴辅助热处理改善钙钛矿薄膜质量的方法
本专利技术属于新材料
，具体涉及一种溶剂浴辅助热处理改善钙钛矿薄膜质量的方法。
技术介绍
金属卤素钙钛矿材料是一种新型光电功能材料，其可在低温下利用溶液方法制备，并具备优异的光电性能，如光吸收系数高、缺陷少、载流子寿命长等，有望被应用于太阳能电池、光电传感器、辐射传感器、发光二极管、半导体激光器等诸多领域。目前，用于制备光电器件的钙钛矿材料通常是用溶液法制备的多晶薄膜。制备钙钛矿薄膜的溶液制备方法通常有一步法和两步法。一步法利用溶剂挥发直接析出晶体制备钙钛矿薄膜，该方法制备的薄膜存在枝晶状组织和薄膜不致密等问题。两步法是先沉积卤化铅/卤化锡薄膜，再加入卤化胺/卤化铯溶液与之反应，形成钙钛矿薄膜，该方法制备的薄膜存在转化不充分，成分偏析等问题。此外，溶液法制备的钙钛矿薄膜都是多晶薄膜，薄膜中存在大量的晶界和晶格缺陷，以及卤化铅等杂质相，如J.J.Yoo,S.Wieghold,M.C.Sponseller,etal.AnInterfaceStabilizedPerovskiteSolarCellwithHighStabilizedEfficiencyandLowVoltageLoss[J].Energy&EnvironmentalScience,2019,12(7):2192中所述。这些缺陷的存在阻碍了载流子的传输，加快载流子复合，极大制约了钙钛矿薄膜的光电性能，如E.Aydin,M.D.Bastiani,S.D.Wolf,etal.DefectandContactPassivationforPerovskiteSolarCells[J].AdvancedMaterials,2019,31(25):1900428中所述。因此，制备晶粒尺寸大、结晶性高、覆盖致密、成分均匀的钙钛矿多晶薄膜是提高其光电器件性能的关键，同时也是当前面临的一大技术挑战。热处理是改善钙钛矿薄膜光电性能的有效手段。在Z.Xiao,Q.Dong,C.Bi,etal.SolventAnnealingofPerovskite-InducedCrystalGrowthforPhotovoltaic-DeviceEfficiencyEnhancement[J].AdvancedMaterials,2014,26(37):6503中记载的利用DMF辅助熏蒸，获得了具有大尺寸晶粒的钙钛矿薄膜。在C.Liu,K.Wang,C.Yi,etal.EfficientPerovskiteHybridPhotovoltaicsviaAlcohol-VaporAnnealingTreatment[J].AdvancedFunctionalMaterials,2015,26(1):101.中记载的利用醇类溶剂蒸汽辅助熏蒸，可以提高薄膜的结晶度和晶粒尺寸，并避免针孔的产生。在Q.Chen,H.Zhou,Z.Hong,etal.PlanarHeterojunctionPerovskiteSolarCellsviaVapor-AssistedSolutionProcess[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2014,136,2,622–625中记载的密闭环境中利用碘化甲胺蒸汽对薄膜进行热处理，提高了晶粒尺寸，获得了紧凑且高质量的薄膜。目前，虽然已经有了极性溶剂、卤化铵盐等蒸汽辅助热处理改善钙钛矿薄膜质量的方法，但是这些方法都存在蒸汽浓度不易控制，蒸汽分布不均匀，过量蒸汽导致钙钛矿材料分解等问题，制约了这些热处理方法的推广和应用。
技术实现思路
要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种溶剂浴辅助热处理改善钙钛矿薄膜质量的方法，提高钙钛矿薄膜质量的方法，该方法可以用于大面积薄膜的处理，可以满足未来大面积钙钛矿太阳能电池的工业化生产需要。本专利技术的技术方案是：一种溶剂浴辅助热处理改善钙钛矿薄膜质量的方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一：采用旋涂法制备钙钛矿薄膜；步骤二：将步骤一所制备的钙钛矿薄膜浸没于极性溶剂和非极性溶剂的混合溶剂中，其中极性溶剂所占体积比0.1％-10％；将所述混合溶剂和钙钛矿薄膜封闭于密闭空间中，用于避免混合溶剂在加热过程中蒸发或沸腾损失；步骤三：将步骤二中放入钙钛矿薄膜的混合溶剂加热到80-200℃，保温时间为10-120分钟；保温后待其自然冷却，将钙钛矿薄膜从混合溶剂中取出，再用非极性溶剂清洗；然后用惰性气体吹干，并放在加热台上将所述钙钛矿薄膜加热干燥，最后获得改善的钙钛矿薄膜。本专利技术的进一步技术方案是：所述非极性溶剂为烃类、卤代烃类、芳香烃类或醚类溶剂中的一种。本专利技术的进一步技术方案是：所述极性溶剂为酰胺类、砜类/亚砜类、酯类、酮类、醇类、腈类、吡啶类路易斯碱性溶剂中的一种或多种。本专利技术的进一步技术方案是：所述混合溶剂液面高于所述钙钛矿薄膜上表面0.5mm-20mm，用于减少薄膜的溶解损失。本专利技术的进一步技术方案是：在所述混合溶剂中加入钝化钙钛矿晶界和表面的钝化剂，所述钝化剂为富勒烯及其衍生物、噻吩，硫脲，1.8-二典辛烷，苯甲酸或咖啡因；所述富勒烯及其衍生物为C60或[6,6]-苯基C61丁酸甲酯。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤一中钙钛矿薄膜的制备方法为，将钙钛矿材料溶解于溶剂中得到前体溶液，将所述前体溶液均匀滴在预先沉积了SnO2电子传输层的透明导电玻璃表面，采用一步法或反溶剂法进行旋涂，然后加热到40-200℃、保温时间为30-120min，获得钙钛矿薄膜。有益效果本专利技术的有益效果在于：本专利技术可以应用于有机无机杂化钙钛矿，包括含铅和及非铅钙钛矿；也可以用于全无机钙钛矿。本专利技术可以提高钙钛矿薄膜的晶粒尺寸，弥合晶界和孔洞缺陷，改善结晶质量，从而提高钙钛矿光电器件的性能。本专利技术还可以用于提高钙钛矿单晶或微晶的表面特性，降低表面缺陷和成分偏析，获得高质量的钙钛矿晶体表面。(1)本专利技术利用溶剂浴辅助热处理可以制备高质量钙钛矿薄膜以及高性能太阳能电池和光电器件。如图2、3所示，经过处理后，平均晶粒尺寸明显增大，由原来的100nm左右提升至500nm左右；如图4所示，经过溶剂浴辅助热处理的钙钛矿薄膜具有更强更尖锐的衍射峰，说明薄膜结晶度更高；并且由此制成的钙钛矿太阳能电池其平均效率也从18.24％提升至19.50％，最高可达20.09％。(2)本专利技术采用的溶剂浴辅助热处理，可以针对钙钛矿的种类和特性调控溶剂的种类和含量，实现热处理工艺的优化。(3)本专利技术采用的溶剂浴辅助热处理，钙钛矿通过溶剂对流和传导加热，受热比单纯利用固体热传导加热更加均匀；非极性分子在溶液中的分布也比气相更加均匀，不会出现局部的蒸汽浓度过大造成薄膜分解的问题，因此热处理的过程比非极性溶剂蒸汽处理操作更加简便和可控。其中非极性溶剂为烃类、卤代烃类、芳香烃类、醚类溶剂中的一种，对杂化钙钛矿或无机钙钛矿有不发生溶解或溶解度低的特性；极性溶剂为酰胺类、砜类/亚砜类、酯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种溶剂浴辅助热处理改善钙钛矿薄膜质量的方法，其特征在于具体步骤如下：/n步骤一：采用旋涂法制备钙钛矿薄膜；/n步骤二：将步骤一所制备的钙钛矿薄膜浸没于极性溶剂和非极性溶剂的混合溶剂中，其中极性溶剂所占体积比0.1％-10％；将所述混合溶剂和钙钛矿薄膜封闭于密闭空间中，用于避免混合溶剂在加热过程中蒸发或沸腾损失；/n步骤三：将步骤二中放入钙钛矿薄膜的混合溶剂加热到80-200℃，保温时间为10-120分钟；保温后待其自然冷却，将钙钛矿薄膜从混合溶剂中取出，再用非极性溶剂清洗；然后用惰性气体吹干，并放在加热台上将所述钙钛矿薄膜加热干燥，最后获得改善的钙钛矿薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种溶剂浴辅助热处理改善钙钛矿薄膜质量的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：采用旋涂法制备钙钛矿薄膜；
步骤二：将步骤一所制备的钙钛矿薄膜浸没于极性溶剂和非极性溶剂的混合溶剂中，其中极性溶剂所占体积比0.1％-10％；将所述混合溶剂和钙钛矿薄膜封闭于密闭空间中，用于避免混合溶剂在加热过程中蒸发或沸腾损失；
步骤三：将步骤二中放入钙钛矿薄膜的混合溶剂加热到80-200℃，保温时间为10-120分钟；保温后待其自然冷却，将钙钛矿薄膜从混合溶剂中取出，再用非极性溶剂清洗；然后用惰性气体吹干，并放在加热台上将所述钙钛矿薄膜加热干燥，最后获得改善的钙钛矿薄膜。


2.根据权利要求1所述溶剂浴辅助热处理改善钙钛矿薄膜质量的方法，其特征在于：所述非极性溶剂为烃类、卤代烃类、芳香烃类或醚类溶剂中的一种。


3.根据权利要求1所述溶剂浴辅助热处理改善钙钛矿薄膜质量的方法，其特征在于：所述极性溶剂为酰胺类、砜类/亚砜类、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李祯，杨磊，李志浩，郅冲阳，刘萃，丁晓刚，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61