[发明专利]一种有机无机杂化钙钛矿薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电半导体技术领域，具体涉及一种有机无机杂化钙钛矿薄膜的制备方法。

背景技术

钙钛矿型有机无机杂化晶（CH₃NH₃PbX₃，X=I、Br、Cl）是一种重要的光电半导体材料，其光电转换性能好，合成过程简单，成本低廉，具有巨大的商业潜力，因此成为光伏电池领域近年来的一个研究热点。短短几年间，钙钛矿电池的效率就从原来的3.1%提高到了现在的20.1%，大有与硅基电池、铜铟镓硒类电池竞争的趋势。

钙钛矿太阳能电池中薄膜的质量对电池性能的影响很大，制备致密均匀的钙钛矿薄膜是实现高效电池的前提。目前制备钙钛矿CH₃NH₃PbI₃膜层的方法主要分为两种：（1）液相法，将碘化铅（PbI₂）和甲基碘化铵（CH₃NH₃I）的混合溶液旋涂到衬底上，溶剂挥发后得到CH₃NH₃PbI₃膜，或者旋涂PbI₂溶液得到PbI₂膜后再与CH₃NH₃I溶液反应得到钙钛矿膜；（2）气相法，将PbI₂和CH₃NH₃I蒸发为气体，在基底上反应成膜，或者将其中一种物质的溶液旋涂成膜后，另一物质蒸发为气体与之反应得到钙钛矿膜。前者液相法主要采用旋涂的方式成膜，这种方法比较浪费原料，提高了原料成本，且不能实现大面积的制膜；后者气相法对设备的要求较高，条件较难控制，重复性较差，且气相沉积难以保证膜层中PbI₂和CH₃NH₃I的化学计量比。本发明通过电沉积硫化铅并转化为碘化铅，随后反应得到钙钛矿薄膜的方法，不仅能提高原料的利用率，实现大面积的制膜，且对设备的要求低，反应条件较好控制，且能较好的保证膜层的化学计量比。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析和存在的问题，提供一种有机无机杂化钙钛矿薄膜的制备方法，既克服了常规液相法旋涂制膜对原料利用率低，不能大面积操作的问题，也克服了气相法对设备要求高，条件控制困难，膜层化学计量比难以保证的缺陷。

本发明的思路：采用电沉积的方法制备硫化铅薄膜，将硫化铅薄膜碘化得到碘化铅膜，碘化铅与甲基卤化铵反应得到钙钛矿薄膜。

具体步骤为：

(1)以导电玻璃作为基底，用锌粉和质量百分比浓度为2%的盐酸对导电玻璃导电面上不需要沉积的部位进行腐蚀，留出需要沉积的面积，然后依次用乙醇、丙酮和去离子水分别超声清洗10分钟，恒温箱50℃烘干，制得处理好的基底。

(2)称取0.033g硝酸铅和0.039g五水合硫代硫酸钠，溶于100ml蒸馏水中，制得混合溶液，并用乙酸调节混合溶液的pH值为2.8，即为电解液。

(3)以步骤(1)处理好的基底为阴极，石墨片为阳极，两者平行正对插入步骤(2)制得的电解液中，恒温保持在80℃并慢速磁力搅拌，调节电流密度为1.0mA/cm²，电沉积的时间为10~30分钟，沉积结束后取出基底，用蒸馏水清洗后再用氮气吹干，在基底上沉积出硫化铅薄膜。

(4)以步骤(3)沉积出的硫化铅薄膜作为前驱体，与过量单质碘共同放置于真空气氛炉中，在120℃下保温30分钟，碘蒸发为碘蒸气，将硫化铅薄膜碘化，得到黄色碘化铅薄膜。

(5)将甲基卤化铵溶于异丙醇中配制成浓度为0.06mol/L的溶液，将步骤(4)制得的碘化铅薄膜浸入所配制溶液中30秒，取出后用异丙醇冲洗，再放入干燥箱中于70℃保温30分钟，即制得有机无机杂化的CH₃NH₃PbX₃钙钛矿薄膜。

所述甲基卤化铵为CH₃NH₃X，其中X为I或/和Br，当X为I和Br时，二者能够以任意摩尔比混合。