[发明专利]一种组分可调无机钙钛矿光电薄膜及其低温制备方法和器件应用

说明书

本发明属于新型半导体材料制备及器件技术领域，具体公开了一种组分可调无机钙钛矿薄膜及其低温制备方法和器件应用。步骤如下：将CsX以及AB溶于有机溶剂中，搅拌均匀得到前驱体溶液；将所得前驱体旋涂在导电基底上；再将制膜进行退火处理，随后将样品转至原子沉积系统进行离子交换反应，得到组分精准可调的无机钙钛矿光电薄膜，并成功应用于光伏器件中。本发明方法解决了传统溶解度低问题，提高了薄膜均匀性致密性，且采用原子层沉积温度远低于200℃，不仅适用于硬质基底也适用于柔性基底，更利于实现无机钙钛矿卤族元素配比精准调控；此外前驱体均为无机物，解决了薄膜导电性差的问题，对无机钙钛矿薄膜制备及器件应用有重要意义。

技术领域

本发明属于新型半导体光电材料可控制备及器件技术领域，特别涉及一种组分可调无机钙钛矿光电薄膜及其低温制备方法和器件应用。

背景技术

近年来，有机/无机杂化卤化物钙钛矿材料因其具有高光吸收系数、长扩散距离等优异特性，展现出突出的光电转换效率；被广泛用于太阳能电池、光电探测器、发光二极管等领域。然而，杂化钙钛矿材料因其光照、热稳定性及湿度稳定性不佳，极大地限制了在光电领域的广泛应用。令人欣喜的是，无机钙钛矿光电材料，如CsMX₃(M＝Pb,Bi,Sn,X＝Cl，Br，I))，除具有杂化钙钛矿类似的光电特性外，还展示出良好的环境稳定性，可望取代杂化钙钛矿材料，在光电领域具有巨大的应用价值。

无机卤化物钙钛矿材料，具有宽的化学可调范围、光学带隙可调(范围2.3eV-3eV)，同时低温法与柔性基底兼容等，在LED照明、光电探测等领域展示应用潜力。如Georgian Nedelcu等人[Nano Lett.2015,15,5635-5640]报道一种化学溶液法，实现对铅基钙钛矿(CsPbX₃(X＝Cl，Br，I))量子点中的卤族元素进行快速卤素离子交换和连续组分调控，实现其带隙宽范围调控；武汉大学方国家教授团队报道利用化学滴涂法，结合反溶剂蒸汽空间限域Si/SiO₂基底上生长高结晶CsPbCl₃纳米片，并成功报道近紫外探测器[Small2019,1902618-1902626]。美国堪萨斯大学Gong等人报道胶体合成CsPbCl₃量子点，并提出基于硫醇基团表面修饰方法同时提高电荷转移效率和材料稳定性[ACS Nano 2019,13,1772-1783]。然而，纵览前期研究者关于氯化物钙钛矿材料的专利及文献研究报道，目前仍然集中量子点或者微区单晶的形态，这对于薄膜型集成器件来说仍然是个重大挑战。目前尚未有关于CsPbCl₃钙钛矿均匀致密薄膜的制备及其光电器件。该挑战归因于如下两点主要原因：(1)传统溶液法制备首要面临溶解度低问题，即CsCl与PbCl₂非常难溶于二甲基亚砜(DMSO)或者N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，只能通过比较复杂的化学方法；(2)文献报道化学法常涉及复杂的表界面修饰，例如ODE,OA,OLA等化学长链官能团，这些一方面会引起卤化物钙钛矿表面化学不稳定，另一方面还导致钙钛矿表面出现绝缘层，降低CsPbCl_xBr_3-x钙钛矿的电导，引起器件电学特性下降，严重限制了其在电子器件的领域应用。

发明内容

为了解决目前CsPbCl_xBr_3-x钙钛矿薄膜制备过程中所存在溶解度低、光电性能差等问题，即原材料CsCl以及PbCl₂非常难溶于DMSO或者DMF溶剂以及制备的过程中引入大量官能团导致钙钛矿材料导电性降低。本发明的首要目的在于提供一种组分可调无机钙钛矿光电薄膜的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备得到的组分可调无机钙钛矿光电薄膜。

本发明再一目的在于提供上述组分可调无机钙钛矿光电薄膜在制备紫外光电探测器、蓝紫光发光二极管LED和无机钙钛矿太阳能电池中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：