一种普适性自封装钙钛矿薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开一种普适性自封装钙钛矿薄膜的制备方法，包括以下步骤：首先，将不同种类聚合物溶液旋涂于基底上面，利用极性溶剂对聚合物薄层进行刻蚀和钙钛矿液相结晶的优势，使产生的聚合物参与并调控钙钛矿的成核和生长过程，形成了聚合物自包覆的钙钛矿薄膜。本发明专利技术提供的自封装钙钛矿薄膜制备过程简单，成本低且可重复性高，具有普适性，并且得到的自封装钙钛矿薄膜具有较高的结晶质量和良好的环境稳定性，极大地推动了太阳能电池、发光二极管、光探测器等钙钛矿光电子的商业化应用。光探测器等钙钛矿光电子的商业化应用。光探测器等钙钛矿光电子的商业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种普适性自封装钙钛矿薄膜的制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料
，特别涉及一种普适性自封装钙钛矿薄膜的制备方法。

技术介绍

[0002]随着工业化快速发展，能源消耗和资源短缺一直是我们面临的重大问题。太阳能作为清洁能源，其开发和利用受到国家的重视。钙钛矿作为新兴的光敏性半导体材料，可以将光能转换为电能，其统一的化学结构式为ABX3，其中A一般为有机或无机阳离子，B为金属阳离子，C为卤素阴离子。钙钛矿晶体是由[BX6]4‑
八面体阵列通过顶点相互连接构成三维骨架，其中金属阳离子B位于体心，卤素阴离子X位于面心，有机或无机阳离子A位于八面体的空隙中，与周边12个离子形成配位作用。钙钛矿材料凭借其优异的光物理性能(较高的光吸收系数、载流子迁移率，可调控的能带隙，较长的载流子扩散长度等)和简便的溶液操作，在太阳能电池、发光二极管、光探测器及激光器等光电器件中具有广泛的应用前景。
[0003]钙钛矿材料经过近十年的探索取得了快速发展，其中以钙钛矿太阳能电池的能量转换效率(PCE)最为显著，目前已认证的PCE高达25.7％。尽管钙钛矿光电器件的光电性能已经达到了目前市场化其他半导体材料的光电性能，但是钙钛矿材料较差的环境稳定性极大地阻碍了其商业化的进程，这种问题在具有高性能的多晶钙钛矿薄膜中更加明显，空气中的水分子通过晶界(侵蚀位点)进行扩散，造成材料发生不可逆的分解，进而降低器件的光电性能。传统热固化封装和紫外固化封装是提高钙钛矿材料环境稳定性的重要途径，但是，这两种途径提高稳定性是以牺牲器件的光电性能为代价：热固化封装需要在较高温度下进行，这样会导致钙钛矿活性层和其他功能层的分解；其次，紫外固化封装会产生不良的化学氛围，对钙钛矿活性层同样具有一定影响。利用钙钛矿液相结晶的优势，在反溶剂中或者前驱液中添加聚合物或者聚合物单体制备钙钛矿
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聚合物复合物也是目前提高钙钛矿材料稳定性较为盛行的方法。但是聚合物通过该方法添加更多地是在钙钛矿薄膜上表面分布，并不能完全将钙钛矿晶粒包覆，仍有部分钙钛矿暴露在空气中，因此，该方法不能彻底地改善钙钛矿材料的稳定性，并且过量的聚合物和前驱液共混会影响钙钛矿薄膜的结晶质量。此外，通过在钙钛矿薄膜的上下表面旋涂聚合物形成聚合物
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钙钛矿
‑
聚合物的夹层结构也是提高材料稳定性的可行性方法，该方法虽然能较大程度地提高钙钛矿材料稳定性，但是聚合物仍然只是在钙钛矿薄膜上下表面分布，并不能完全将钙钛矿晶粒进行包覆，并且上下表面的聚合物的量对光生载流子的运输具有很大影响，不利于较高的光电性能。因此，利用钙钛矿的液态结晶过程开发一种聚合物自封装并提高其结晶质量的普适性策略仍具有很大挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服上述方法的不足之处，提供一种普适性自封装钙钛矿薄膜的制备方法，该方法简便快捷，可重复性高，具体是利用钙钛矿液相结晶的优势，通过极性溶
剂的刻蚀辅助聚合物自下而上动态扩散，调控钙钛矿的成核和生长，进而形成聚合物自封装的钙钛矿薄膜。
[0005]本专利技术所提供的一种普适性自封装钙钛矿薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0006]1)将聚合物分散液通过旋涂方法制备聚合物层；
[0007]2)将甲脒碘(FAI)、碘化铅(PbI2)、甲基溴化铵(MABr)、甲基氯化铵(MACl)和溴化铅(PbBr2)钙钛矿前驱体分散于溶剂中得到前驱液。优选地，所述溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶剂；
[0008]3)将步骤2)得到的前驱液旋涂于步骤1)得到的聚合物层上面；
[0009]4)在步骤3)进行过程中，通过动态旋涂将极性反溶剂进行旋涂，得到钙钛矿中间态；
[0010]5)将步骤4)得到的钙钛矿中间态进行退火处理得到聚合物自封装的钙钛矿薄膜。
[0011]本专利技术步骤1)中所述的聚合物种类包括聚甲基丙烯酸酯(PMMA)、聚氧丙烯聚乙二醇嵌段共聚物(P123)、聚苯乙烯(PS)和聚乙二醇(PEG)中的一种或多种。聚合物分散液的浓度为1
‑
20mg/mL，例如聚合物分散液的浓度为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、1、15、16、17、18、19或20mg/mL。聚合物分散液的旋涂速度为5000
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8000r/s，时间为20
‑
30s，旋涂结束后需要将所得到的湿态薄膜在100℃的热台上加热10min，得到聚合物层的厚度为3
‑
10nm。
[0012]进一步地，步骤2)中所述的前驱液中，PbI2摩尔浓度为0.5～1.7M,FAI摩尔浓度为0.5～1.6M,MABr摩尔浓度为0.05～0.15M，PbBr2摩尔浓度为0.05～0.15M，MACl摩尔浓度为0.1～1M。例如，PbI2摩尔浓度为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6或1.7M。FAI摩尔浓度为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、或1.6M。MABr摩尔浓度为0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.11、0.12、0.13、0.14或0.15M。PbBr2摩尔浓度为0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.11、0.12、0.13、0.14或0.15M。MACl摩尔浓度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1M。
[0013]进一步地，本专利技术步骤2)中所述的前驱体的摩尔浓度为1.53M PbI2,1.4M FAI,0.11MMABr，0.11M PbBr2和0.5M MACl。
[0014]进一步地，步骤2)中，所述的N,N
‑
二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶剂的体积比为9:1
‑
4:1。
[0015]本专利技术在进行步骤3)前，需要对步骤1)得到的聚合物层进行亲水化处理。本专利技术步骤3)所述的旋涂为两步旋涂，第一步转速为1000
‑
2000r/s，时间为10
‑
20s，第二步转速为4000
‑
6000r/s，时间为20
‑
30s。
[0016]本专利技术步骤4)中所述的反溶剂为甲苯或氯苯等极性溶剂，反溶剂的旋涂时间为距离旋涂结束时间的15
‑
5s，反溶剂旋涂量为150
‑
500mL。
[0017]本专利技术，步骤4)中，所述通过动态旋涂将极性反溶剂进行旋涂是指：将极性反溶剂在动态转速下通过移液枪沉积到聚合物层上的前驱液上。
[0018]本专利技术步骤5)中所述的退火温度为100
‑
150℃，时间为10
‑
30min。所得到自封装钙钛矿薄膜的厚度为500
‑
1000nm。
[0019]综上所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种普适性自封装钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将聚合物分散液通过旋涂方法制备聚合物层；2)将甲脒碘(FAI)、碘化铅(PbI2)、甲基溴化铵(MABr)、甲基氯化铵(MACl)和溴化铅(PbBr2)钙钛矿前驱体分散于溶剂中得到前驱液；优选地，所述溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶剂；3)将步骤2)得到的前驱液旋涂于步骤1)得到的聚合物层上面；4)在步骤3)进行过程中，通过动态旋涂将极性反溶剂进行旋涂，得到钙钛矿中间态；5)将步骤4)得到的钙钛矿中间态进行退火处理得到聚合物自封装的钙钛矿薄膜。2.根据权利要求1所述的一种普适性自封装钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，利用钙钛矿液相结晶的优势和极性溶剂辅助的聚合物扩散，使聚合物参与钙钛矿的成核和生长过程，形成了聚合物自封装的钙钛矿薄膜。3.根据权利要求1所述的一种普适性自封装钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述的聚合物选自聚甲基丙烯酸酯(PMMA)、聚氧丙烯聚乙二醇嵌段共聚物(P123)、聚苯乙烯(PS)和聚乙二醇(PEG)中的一种或多种；优选地，分散液的旋涂速度为5000
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8000r/s，时间为20
‑
30s，旋涂结束后需要将所得到的湿态薄膜在80
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120℃的热台上加热5
‑
15min。4.根据权利要求1所述的一种普适性自封装钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的前驱液中，PbI2摩尔浓度为0.5～1.7M,FAI摩尔浓度为0.5～1.6M,MABr摩尔浓度为0.05～0.15M，PbBr2摩尔浓度为0.05～0.15M，MACl摩尔浓度为0.1～1M；优选地，步骤2)中所述的前驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：程群峰，战岩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：