[发明专利]一种混合卤化物钙钛矿单晶及多晶薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及光电功能材料与器件技术领域，具体涉及一种混合卤化物钙钛矿单晶及多晶薄膜的制备方法。所述混合卤化物钙钛矿单晶和混合卤化物钙钛矿多晶薄膜中的卤原子包括氯、溴、碘中的两种或三种；使用添加有添加剂的二甲基亚砜溶液作为配制混合卤化物钙钛矿单晶生长的前驱体溶液的溶剂；本发明通过溶剂工程、组分工程，首次实现混合卤化物钙钛矿材料中不同卤素原子的有序排布以及晶体生长取向调控，以改善该材料的晶体缺陷、稳定性以及其太阳能电池的性能。

技术领域

本发明涉及光电功能材料与器件技术领域，具体涉及一种混合卤化物钙钛矿单晶及多晶薄膜的制备方法。

背景技术

太阳能电池能直接将光能转化为电能，太阳能电池的开发是利用太阳能最有效的途径之一。目前，在市场上占据主导地位的太阳能电池主要是单晶硅和多晶硅太阳能电池，然而，硅基太阳能电池的制备工艺要求非常高，材料纯度要求在99.9999％以上，而且制备过程消耗大量的能源、排放污染严重，与绿色发展相悖。这些都制约硅基太阳能电池的全面应用。

近年来，钙钛矿型金属卤化物凭借其优越的光电特性、简易的制备工艺和低廉的成本，引起了人们的广泛关注，基于该类材料的薄膜太阳能电池得到迅速发展。虽然目前该材料的太阳能电池在能量转换效率上获得重大突破，但其环境稳定性、寿命等性能还远远达不到大规模应用的要求，其中一方面的原因是对于该类材料的结构与半导体物理特性依旧存在较多不明确的关系，例如，目前在光热稳定性表现突出的，以CsPbI_XBr_1-X为代表的混合卤原子无机钙钛矿，基于其的太阳能电池器件性能已逐渐到达瓶颈，其中的一大制约因素是：多种不同卤原子在钙钛矿晶格中的随机、无序分布。这种晶体中的长程无序，极容易在晶格中形成缺陷，从而影响载流子寿命；同时，由于卤原子随机无序分布导致存在的晶格局部不稳定，随着原子不断热运动，卤原子相关的缺陷不可逆地增加、积累，最终使得钙钛矿从光学活性相到非光学活性相的相转变，严重制约了其稳定性。理论和实验证明，晶体的高有序性能有效提高晶体结构的稳定。例如，一种化学式为AB¹B^IIIX₆的双B位原子的钙钛矿结构(双钙钛矿)相关研究证明，将B位原子的随机分布调控为交替有序排列，能显著提升晶体的各项性能。因此，为解决混合卤原子无机钙钛矿的发展瓶颈问题上，解决其中不同卤原子的排布无序性是一有效途径，然而截至目前，混合卤原子无机钙钛矿的无序性问题仍未解决。

发明内容

基于上述内容，本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种混合卤化物钙钛矿单晶及多晶薄膜的制备方法。通过溶剂工程、组分工程，首次实现混合卤化物钙钛矿材料中不同卤素原子的有序排布以及晶体生长取向调控，以改善该材料的晶体缺陷、稳定性以及其太阳能电池的性能。

本发明的技术方案之一，一种混合卤化物钙钛矿单晶的制备方法，所述混合卤化物钙钛矿单晶中的卤原子包括氯、溴、碘中的两种或三种；使用添加有添加剂的二甲基亚砜溶液作为配制混合卤化物钙钛矿单晶生长的前驱体溶液的溶剂。

所述添加剂为沸点为80℃-140℃的卤代烷、双(2-溴乙基)醚、碘甲基甲醚、羟基丙酮、环己酮、三氯乙酸甲酯、4-戊烯腈中的一种或多种。

进一步地，所述混合卤化物钙钛矿单晶的分子式为CsPbI_XBr_YCl_3-X-Y，其中X+Y＜3。

进一步地，所述添加剂在前驱体溶液中的体积分数为0～30％(不为0)。

进一步地，所述沸点为80℃-140℃的卤代烷选自1-碘十一烷、碘代叔丁烷、1-溴十七烷、1-溴十三烷、溴代异丁烷、1-氯己烷、1-氯十三烷中的一种或多种。

进一步地，包括以下步骤：

步骤a：将卤化铯、卤化铅溶解于二甲亚砜中，加入添加剂搅拌混匀后过滤得到前驱体溶液；