[发明专利]原位合成高结晶度铜掺杂钙钛矿薄膜的方法

说明书

本发明属于材料化学技术领域，涉及一种原位合成高结晶度铜掺杂钙钛矿薄膜的方法。该方法为：在干净的基底表面形成一层铜铅合金的薄膜，在薄膜表面原位旋涂碘化钾胺溶液一步反应即可获得高结晶度的铜掺杂钙钛矿薄膜材料。该方法采用一步旋涂，室温条件下即可制备高结晶度的铜掺杂钙钛矿CH₃NH₃PbI₃薄膜，操作简单、反应迅速，能耗少，制备的钙钛矿薄膜结晶性好，晶体颗粒缺陷少，成膜质量高。

技术领域

本发明属于材料化学技术领域，尤其涉及一种基于铜铅合金原位一步合成高结晶度铜掺杂钙钛矿薄膜的化学方法。

背景技术

钙钛矿是分子式为ABX₃的一种有机-无机混合物，A和B为阳离子，X为卤素阴离子，第一次是在1978年被Weber研究，在2006年首次被用作光伏吸收材料，有2.2%的光电转换效率，2009年，Akihiro Kojima将CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃PbBr₃制备成量子点应用于太阳能电池中，获得了3.8%的光电转换效率，自此基础上，不断优化钙钛矿的制作工艺和太阳能电池结构，选取更匹配的新材料，研究界面问题，掺杂离子调节能带等等诸多方面做了很多探究，总之想要提高钙钛矿的稳定性，提高钙钛矿的结晶度，得到更优的形貌，取得更好的效率，为钙钛矿的工业生产和广泛应用做努力，到2016年，经美国国家可再生能源实验室认证，目前最高的钙钛矿太阳能电池效率已经达到22.1%。基于钙钛矿的太阳能电池性能的迅速提升，主要是因为它独特的电子和光学特性：首先，禁带宽度约为1.5ev，接近理论太阳能电池最佳禁带宽度；其次，它的厚度仅仅需要400nm左右便能吸收紫外到近红外所有的光子；同时不同于硅基太阳能电池的高温制备，钙钛矿是可以通过溶液法低温沉积，制备的工艺更简单方便；带隙也可通过调节其化学组分来调整控制；然后，还有优异的载流子输运性能，较长的载流子扩散长度大于100纳米。这些优点为高性能的钙钛矿太阳能电池做出很大的贡献。在钙钛矿的相关研究中发现，钙钛矿薄膜的结晶质量，直接影响光物理性质因此影响钙钛矿太阳能电池器件的性能。Snaith等人在2012年发表在Science上的文章中，把摩尔比为3:1的CH₃NH₃I和PbCl₂配置成前驱体溶液，引入氯元素改善成核动力学，提高了结晶度，对钙钛矿薄膜的形貌有很大的影响，进而提高了器件效率到10.9%，因此制备质量好、结晶好的钙钛矿薄膜，是研究高性能钙钛矿太阳能电池器件的重中之重。

Kojima等人在2009年制备钙钛矿CH₃NH₃PbI₃薄膜时使用的方法是一步法，将一定化学计量比的碘化钾胺（CH₃NH₃I）和碘化铅（PbI₂）溶解于γ-丁内酯中配置成8%的前驱体溶液，取一定量的前驱体溶液在基底FTO/TiO₂上以一定速度和时间旋涂，在旋涂和干燥的同时，明显地观察到颜色从黄色变成黑色，生成钙钛矿CH₃NH₃PbI₃薄膜，以此为基础的太阳能电池也获得了3.8%的光电转换效率。这种方法工艺简单，制备过程迅速，几分钟内就可以完成，但是钙钛矿薄膜的形貌比较难控制。为了解决这一问题，由此演变出了两步法，Gratzel首先提出两步连续沉积法，先在厚度为30nm的致密二氧化钛薄膜上旋涂一种胶体颗粒，制备厚度约为350nm的介孔二氧化钛，然后将保持在70℃条件下的溶解于DMF中的PbI₂溶液，旋涂法旋涂5s将其引入到介孔二氧化钛薄膜上，最后将样品在异丙醇溶液中预湿1-2s，再浸泡在10mg/mL的碘化钾胺的异丙醇溶液中，反应20s后用异丙醇冲洗，颜色从黄色变为深棕色，得到钙钛矿CH₃NH₃PbI₃薄膜。两步法相比于一步法能相对较好的控制钙钛矿薄膜的形貌。