[發(fā)明專利]連續(xù)生長(zhǎng)大尺寸鈣鈦礦單晶的裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610805277.0
• 申請(qǐng)日: 2016-09-07
• 公開（公告）號(hào): CN106283195B
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐閏;杜斌斌;徐海濤;王文貞;吳楊琳;蔡江;倪超偉;徐飛;王林軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號(hào): C30B29/54
• 分類號(hào): C30B29/54;C30B29/66;C30B7/14
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發(fā)明公開了一種連續(xù)生長(zhǎng)大尺寸鈣鈦礦單晶的裝置及方法，基于環(huán)流和逆溫結(jié)晶來連續(xù)生長(zhǎng)具有高結(jié)晶質(zhì)量的鈣鈦礦單晶，屬于新型材料器件制造工藝領(lǐng)域。本發(fā)明裝置利用鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)瓶和原料驅(qū)動(dòng)瓶中的溫度差使裝置中的鈣鈦礦溶液環(huán)流，將原料驅(qū)動(dòng)瓶中的過飽和的鈣鈦礦溶液源源不斷的輸運(yùn)到鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)瓶中參與逆溫結(jié)晶。并通過控制鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)瓶和原料驅(qū)動(dòng)瓶的各自的溫度T1、T2和相應(yīng)的溫度差T，整體鈣鈦礦單晶的生長(zhǎng)時(shí)間t，以及通過原料驅(qū)動(dòng)瓶加入裝置的原料m來控制鈣鈦礦單晶的生長(zhǎng)速度和生長(zhǎng)大小。本發(fā)明可以連續(xù)并且快速的生長(zhǎng)鈣鈦礦單晶，易于大規(guī)模生產(chǎn)。通過本發(fā)明晶體制備方法，可生長(zhǎng)得到對(duì)角線長(zhǎng)度為鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)瓶尺寸大小的鈣鈦礦單晶，最大生長(zhǎng)速度為1厘米/天，具有顯著的產(chǎn)業(yè)化推廣價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種單晶的制備裝置和方法，特別是涉及一種鈣鈦礦單晶的裝置及方法，應(yīng)用于太陽能電池器件的新材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

當(dāng)今世界，隨著地球資源的日益減少和人類對(duì)能源需求的不斷增加，為了應(yīng)對(duì)正在到來的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)，我們的能源利用方式必須由不可再生能源系統(tǒng)向可再生能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。面對(duì)目前能源危機(jī)及環(huán)境污染，太陽能作為一種可再生能源，是滿足全球范圍內(nèi)日益增長(zhǎng)的能源需求的重要方法之一。其中光伏作為新能源開發(fā)的對(duì)象，因其安全、清潔、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而受到重視，研發(fā)高效低成本的新型太陽電池是實(shí)現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電廣泛應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。

自2009年以來，鈣鈦礦型太陽能電池發(fā)展迅速，并且成本低廉，生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境造成的污染少，已經(jīng)成為了光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。鹵鉛銨鈣鈦礦以其具有合適和易調(diào)節(jié)的帶隙、載流子遷移率高以及對(duì)雜質(zhì)和缺陷的良好容忍度等優(yōu)良特性，使鈣鈦礦太陽電池成為一種全新、高效率、價(jià)格便宜、制備簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)多樣的新型無機(jī)-有機(jī)雜化異質(zhì)結(jié)太陽電池。制備尺寸大、結(jié)晶度好的鈣鈦礦晶體有可能成為制備更大更好的鈣鈦礦太陽能電池的一種有效方式。

然而生長(zhǎng)大尺寸單晶是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，最初，有報(bào)道毫米級(jí)的鈣鈦礦單晶，但這種方法只將晶體長(zhǎng)到10mm。通過將鈣鈦礦的前軀體溶液對(duì)流，與最大晶體尺寸限制為約10毫米。通過使用離子對(duì)流在一個(gè)前體溶液，Huang和合作者開發(fā)了一種頂部籽晶溶液生長(zhǎng)(TSSG)方法在一塊硅基板的制備單晶的鈣鈦礦。在這個(gè)過程中，在預(yù)先合成較小的鈣鈦礦晶體被用作種子，最終長(zhǎng)成平均尺寸為3.3mm和最大尺寸約為10mm的鈣鈦礦晶體。Bakr和合作者使用反溶劑蒸發(fā)擴(kuò)散的方法制備出毫米大小的CH₃NH₃PbBr₃和CH₃NH₃PbI₃單晶。在另一方面，通過從65℃緩慢降低到40℃以使鈣鈦礦溶液飽和并誘導(dǎo)其析出，經(jīng)過約一個(gè)月的生長(zhǎng)，Tao和合作者制備出最大10mm×10mm×8mm的CH₃NH₃PbI₃單晶。Liu和他的合作者近期通過籽晶誘導(dǎo)異相成核逆溫結(jié)晶法制備出了最大為71mm×54mm×39mm的鈣鈦礦單晶，這也是最近報(bào)道的生長(zhǎng)出的最大的單晶。

對(duì)于商業(yè)應(yīng)用，仍然需要較大的晶體尺寸。所有上述四種方法中的仍太耗時(shí)，不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求。其中前三種方法繁瑣且不能夠長(zhǎng)大單晶，后一種則不能在同一裝置內(nèi)連續(xù)長(zhǎng)大，并且十分耗費(fèi)溶液，此外，有沿著玻璃滑道邊緣形成約50個(gè)較小的1-2毫米的晶體，如載玻片的鋒利的邊緣提供了鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)成核位點(diǎn)。這些成核位點(diǎn)限制了晶體的長(zhǎng)大。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種連續(xù)生長(zhǎng)大尺寸鈣鈦礦單晶的裝置及方法，通過改進(jìn)后的新裝置進(jìn)行鈣鈦礦單晶的連續(xù)生長(zhǎng)，制備出尺寸大、結(jié)晶度好的鈣鈦礦單晶，并將此新裝置運(yùn)用于大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)。利用本發(fā)明新裝置，能采用一整套用于方便的、快捷的連續(xù)生長(zhǎng)鈣鈦礦大單晶的穩(wěn)定性好的結(jié)晶工藝流程，本發(fā)明基于環(huán)流和逆溫結(jié)晶方法，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生長(zhǎng)具有高結(jié)晶質(zhì)量的鈣鈦礦單晶，具有重要的產(chǎn)業(yè)推廣價(jià)值。

為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：