[发明专利]一种有机-无机钙钛矿半导体材料的制备方法

说明书

本发明提供的一种新型的有机‑无机钙钛矿半导体材料的制备方法中，首先，将线型衬底垂直浸入钙钛矿前驱液中，通过温度和反溶剂的量调节钙钛矿在混合液相中呈现饱和状态，通过磁力搅拌器扰动液相混合物使得线型衬底位于扰动中心；然后，持续滴加反溶剂，使液相过饱和出现晶体析出，在溶液扰动的作用下沉积在线型衬底表面形成薄膜。本发明通过将线型衬底垂直浸入前驱液中，并结合磁力搅拌使得线型衬底位于液相扰动中心，大大降低了重力对析出的晶体的影响，得到了均一致密的钙钛矿薄膜。

技术领域

本发明涉及一种新型的有机-无机钙钛矿半导体材料的制备方法。

背景技术

随着光电科学技术的迅猛发展，对光电材料，特别是光电半导体材料的性能提出了更高的要求。对于光电半导体材料，主要关注两方面的性能：一是能量的转化，比如太阳能电池、光电探测器、发光二极管等；另一个是信号的调制与传输，如光波导、天线调制等。2009年，日本科学家Miyasaka首次提出有机-无机复合卤化物钙钛矿材料(CH₃NH₃PbX₃,X＝Cl,Br,I)并将其应用于光电领域，自此之后，该类新型光电材料受到越来越多研究者的关注。特别是基于钙钛矿材料的太阳能电池，2017年已经可以达到22.1％的效率，足以媲美目前的单晶硅基太阳能电池，被誉为迄今为止发展速度最快的太阳能电池。钙钛矿光电材料能取得如此辉煌的成就，归因于其极其优异的光电特性：比如钙钛矿材料对光的感应和发光范围覆盖了全部的可见波长和一部分红外波长，为多种光电器件的制备提供了便利条件；其长载流子自由程和较低的激子结合能使得光电能量转换更加容易；而其极高的载流子迁移率亦降低了能量在钙钛矿材料本身传输中的损耗。

目前，钙钛矿半导体材料的制备方法主要为：以双源共蒸为代表的气相法，以旋涂为代表的液相法，以及混合粉末反应形成钙钛矿的固相法。其中，液相法(溶液法)由于其成本低廉、工艺简单、易于控制等优势，成为目前研究应用最广泛的方法。液相法主要包括旋涂法和浸泡法，而旋涂法受限于旋涂仪器，只能实现在平面衬底上的制备，几乎不适用于线型衬底等其他形状的衬底，这大大限制了该方法的广泛应用。特别是对于新兴的可穿戴电子产业而言，为了更好的利用空间，柔性、线型衬底是未来的发展方向。因此，目前在线型等其他形状的衬底上制备钙钛矿材料大多采用浸泡法，或者由浸泡法改进形成的方法。例如，Li Qingwen等(R.Li,X.Xiang,X.Tong,J.Zou,Q.Li,Adv.Mater.2015,27,3831)使用自制的设备使得钙钛矿前驱液液滴在碳纤维上往复运动，经烘干获得均匀致密的钙钛矿薄膜。LiLiang等(H.Sun,T.Lei,W.Tian,F.Cao,J.Xiong,L.Li,Small2017,13,1701042)通过将碳布浸泡在钙钛矿前驱液和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液的混合液中，通过控制结晶温度，在粗糙的碳布表面成功得到了致密的钙钛矿-空穴传输材料混合层。然而，上述方法中，由于受重力的影响，使得与线型衬底的上表面和下表面接触的前驱液成分有差异，导致形成于线型衬底上的材料的上表面与下表面不均一。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术中线型衬底上生长钙钛矿材料不均一的问题，提出了一种新型的有机-无机钙钛矿半导体材料的制备方法。本发明方法得到的钙钛矿半导体材料环面均匀致密，晶粒尺寸可达微米级别，有利于钙钛矿材料在光电领域中的应用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种有机-无机钙钛矿半导体材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、清洗线型衬底，烘干备用；

步骤2、配制钙钛矿前驱液，在50～70℃下搅拌8～12h，得到均匀的钙钛矿前驱液；

步骤3、将步骤1清洗干净的线型衬底垂直浸入步骤2得到的钙钛矿前驱液中，如图1所示，然后将钙钛矿前驱液放置于加热搅拌台上，在搅拌的条件下加热至90～120℃；其中，搅拌台转动中心、磁力转子中心位于线型衬底所在直线上，搅拌速度为200～500rpm；