[发明专利]一种超净界面异质结的制备方法及应用

说明书

本发明提供一种超净界面异质结的制备方法及应用，所述异质结的制备方法包括如下步骤：首先利用化学气相沉积法生长大面积单晶石墨烯膜，然后利用非聚合物辅助的清洁转移方法制备透射电子显微镜网格上的悬浮石墨烯，最后使用一步溶液法在清洁的石墨烯表面上直接合成厚度为5‑100nm的钙钛矿单晶，完成超净界面异质结材料的制备。该方法完全避免了转移过程中的聚合物污染，异质结电子耦合非常好，界面非常干净。同时，根据进一步的表征验证，在超净的界面下，石墨烯作为二维电极及受体材料可实现超快、高效率的载流子收集，此方法得到的异质结具有高达98％的光电流转换效率，并且光生载流子的收集时间尺度为百飞秒量级。

技术领域

本发明涉及一种超净界面的制备方法，尤其涉及一种超净界面异质结的制备方法及应用。

背景技术

随着人类对化石能源的不断开采利用，及与其相伴带来的日益严重的环境污染问题，人类对太阳能的需求日益迫切，太阳能的有效利用成为人们关注的焦点。近年来，新型有机-无机钙钛矿太阳能电池凭借其优异的光电性能受到人们的广泛关注，并成为太阳能电池领域的研究热点。以CH₃NH₃PbI₃为代表的具有钙钛矿晶型的有机金属卤化物光电转化效率已经高达22％，超过了多晶硅太阳能电池，具有较好的应用前景。同时，该材料在光电探测、发光、高能射线探测及非线性光学等方面均展现出良好的性能，成为光电物理、器件物理和化学等交叉领域的研究热点。然而，深入研究太阳能电池/光电器件的微观工作机理，载流子在光激发后的演变过程，还处在最初始的阶段，而机理的研究对于器件的优化和调控是至关重要的。

光电探测、太阳能电池等光电器件的工作机理可分为三个过程：材料吸收光子产生载流子；光生载流子扩散到吸收体表面；载流子从吸收体材料转移到受体材料。这三个过程的调节和优化是提高光电器件性能的核心。光电器件最重要的指标是光电探测量子效率、光电响应时间。为提高量子效率，人们尝试生长出许多高吸收率材料例如钙钛矿、量子点、染料等做吸收体，实现最大效率的光子-电子转换。同时，为让更多的载流子扩散到吸收体表面，更高质量的单晶、更长扩散距离的不同类型材料及处理方法已经有深入研究。例如，CH(NH₂)₂PbBr₃钙钛矿比CsPbBr₃钙钛矿有更长的热电子寿命；将量子点做成点阵材料将会极大提高载流子的扩散距离。然而，对光电探测的最后一个步骤，载流子的转移，研究难度极大并且很难调控，是目前光电器件研究的瓶颈。如何实现快速的光电转移不但能有效提高器件的量子效率，更为实现器件的超快光响应的关键技术。故而寻找一种超快、高效率的电荷收集方法将具有非常重要的科学和经济意义。

石墨烯是近年来最热的明星材料，单原子层石墨烯只有约0.3纳米厚度，具有非常优异的力学、热学、光学和电学性质。石墨烯是目前世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，其具有良好的导热性及热稳定性，同时在可见到红外波段吸光率只有2.3％，导电性比铜和银还高。因此，石墨烯在光学、电学、光电子学等领域具有很大的应用前景。从能带理论来讲，石墨烯为线性色散结构，表现出狄拉克锥形能带，即为零带隙的半导体或者半金属。通过改变栅极电压，可以实现对石墨烯电子或空穴的注入，进而实现石墨烯费米面的上下调控。总而言之，石墨烯优异的能带结构，结合其高柔性、高迁移率、可见光到红外光透明、耐腐蚀性及对其对覆盖材料的原子级密闭保护性，成为新型的二维电极材料的理想候补者。

那么，将石墨烯作为电极及受体，实现对吸收体中光生载流子的收集，将会极大提高器件的探测量子效率并实现对器件性能的调控。目前传统的电极材料为金、铜等电极，难以做到柔性及透明，而传统受体材料二氧化钛等很难实现对吸收体中电子的有效收集。因此，本发明专利，从超洁净界面的制备出发，设计了这种基于石墨烯电极的超快、高效率电荷收集方法，并从微观机理上阐述了其优异的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种超洁净界面的制备，并以石墨烯/钙钛矿为例，验证了石墨烯作为电极及受体材料可实现对吸收体材料中光生载流子的超快、高效率电荷收集。