[发明专利]一种压力驱动离子扩散生长制备无机钙钛矿单晶薄膜的方法

说明书

本发明涉及一种压力驱动离子扩散生长制备无机钙钛矿单晶薄膜的方法。首先用常规的溶液旋涂方法制备无机钙钛矿半导体多晶薄膜，然后用表面抛光的盖片与多晶薄膜表面紧密贴合，并用柔性耐高温薄膜包覆。接着，将样品放入充满液态传压传热介质的高压热压釜内，封釜后在热压釜上施加高压，并以设定的速度升温到设定值。恒温恒压处理一段时间后，使热压釜缓慢冷却到室温。卸去压力后，打开热压釜即可得到晶粒粒度大、结晶度高、晶界高度融合的高质量无机钙钛矿半导体单晶薄膜。本发明制备的无机钙钛矿单晶薄膜可用于研制高性能太阳能电池、电致发光器件、光电探测器等，在新能源技术、显示设备制造以及自动控制等领域有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种压力驱动离子扩散生长制备无机钙钛矿单晶薄膜的方法，属于新材料技术领域。

背景技术

钙钛矿半导体由于具有光吸收系数大、吸收波长范围宽、激子结合能小、载流子迁移率高以及扩散长度长等一系列优点，在太阳能电池、发光器件、光电探测器等光电功能器件的研制中得到了广泛应用。

目前，钙钛矿半导体材料多是以薄膜形式应用到上述各种器件中，因此薄膜的质量就直接决定着器件的性能。为了获得高性能的光电功能器件，就必须设法减少薄膜中的各种缺陷，大幅度提高薄膜的质量。但是，现在普遍采用的溶液旋涂方法制备的薄膜，晶粒粒度小、晶界结合状态差、膜层致覆盖度低以及表面粗糙度高等问题，严重损害着器件的光电性能。因此，制备晶粒粒度大、结晶有序结合、表面平整度高且致密、连续的钙钛矿半导体薄膜，是大幅度提高光电器件性能的必由之路，同时也是目前面临的一个巨大挑战。

此外，中国专利文件CN107634141A一种制备有机-无机复合半导体单晶薄膜的空间限位溶剂辅助生长方法。首先将有机-无机复合半导体多晶薄膜吸附一定量的溶剂蒸汽，再将抛光的盖片放置于薄膜表面，将多晶薄膜和盖片一起用柔性薄膜包封后放入高压热压釜内，用液态传压传热介质填满热压釜后密封，并在热压釜上施加高压后开始加热。在恒温恒压处理一定时间后，逐步冷却到室温，缓慢地卸掉压力即得由大尺寸、高结晶度的晶粒组成、晶粒界面结合良好的有机-无机复合半导体单晶薄膜。该方法是首先使用溶剂将劣质晶粒溶解，再使用高等静压热处理，限制晶粒进行三维岛状生长，最大限度的在二维平面内进行二次生长，最终得到均匀连续、表面平整光滑的单晶薄膜。然而，这种方法并不适用于全无机钙钛矿半导体薄膜的改善，因为全无机钙钛矿半导体材料的热处理温度相对较高，不良溶剂的作用在高温下失效，导致薄膜严重破坏，从而无法实现晶粒的二次生长。

发明内容

针对现有的制备无机钙钛矿薄膜所用方法存在的缺点，本发明提出利用高等静压驱动无机钙钛矿薄膜中的离子运输，实现薄膜内离子的快速扩散，以及在晶界区域重新沉积和晶粒的二次生长。同时，与空间限位作用相结合，有效地消除薄膜中的三维岛状生长模式，制备由超大晶粒构成、晶界有序结合、膜层均匀致密且表面平整的无机钙钛矿半导体单晶薄膜。

利用本发明的方法，可以为高性能光伏器件、电致发光器件、光电探测器件等的研制提供高质量的无机钙钛矿半导体单晶薄膜。

本发明的技术方案如下：

一种压力驱动离子扩散生长制备无机钙钛矿单晶薄膜的方法，包括如下步骤：

将无机钙钛矿半导体多晶薄膜不经吸附溶剂蒸汽过程，直接进行空间限位，然后在液态传压传热介质中进行高等静压热处理，即得到无机钙钛矿单晶薄膜。

根据本发明，优选的，所述的空间限位过程为：将无机钙钛矿薄膜与抛光盖片紧密贴合，然后包覆密封；进一步优选的，使用柔性薄膜进行包覆密封；

优选的，所述的抛光盖片为硅片、III-V族半导体单晶片、II-VI族半导体单晶片、氧化铝片、玻璃片；

优选的，所述的柔性薄膜为聚四氟乙烯薄膜、金箔或银箔。