[發明專利]一種離子摻雜的CsPbI2Br薄膜、制備方法及其應用

在審

• 申請號: 201710264822.4
• 申請日: 2017-04-21
• 公開（公告）號: CN107093640A
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 姜明浩;胡延強;張樹芳;苗曉亮;邱婷;白帆
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01L31/032
• 分類號: H01L31/032;H01L31/18;H01L21/40
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 鄒偉紅,朱顯國

技術領域

本發明屬于微電子器件制備領域，涉及一種離子摻雜的無機鹵素鈣鈦礦薄膜、制備及其在光伏領域的應用。

背景技術

有機-無機鹵素雜化鈣鈦礦材料(結構式為ABX₃)由于具備可調節的帶隙，載流子擴散距離大，磁性以及電介質極化等特性而引起了人們日益增加的關注，并被廣泛的應用于太陽能電池，發光二極管，光探測器以及激光等器件應用方面。除此之外，另外一個顯著的特點就是這類鈣鈦礦材料可以在150℃以下通過簡單的液相方法制備得到具有高結晶度的納米顆粒。但是由于有機分子的熱穩定性差，在空氣中易吸潮等原因，從而導致有機-無機鹵素雜化鈣鈦礦材料極易受熱分解。例如，最廣泛用作光吸收劑的甲胺鉛碘薄膜在85℃以上就會發生熱分解，導致鈣鈦礦結構的瓦解。作為替代，采用更為穩定的無機離子Cs取代MA、FA等有機基團可望解決鈣鈦礦電池的穩定性問題。

目前通過液相法制備的棕黑色α-相CsPbI₃鈣鈦礦薄膜在室溫下的空氣中就會迅速轉變成黃色δ-相的非鈣鈦礦結構,導致基于該薄膜電池器件的光伏性能迅速降低。另一方面，通過低成本工藝的制備高質量的CsPbI₂Br薄膜的雖然在穩定性方面得到了很大的提高，但是由于純CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜的帶隙為1.82eV，相對于傳統的有機-無機鈣鈦礦材料MAPbI₃(帶隙約為1.5eV)，對光譜的吸收應用范圍窄，從而限制了其在太陽能的應用效率。

發明內容

本發明的目的在于提供一種通過向CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜內摻雜錳離子改性，以達到提高其光譜吸收性能及穩定性。

實現本發明目的的技術方案如下：一種離子摻雜的CsPbI₂Br薄膜，所述薄膜化學式為CsPb_(1-x)Mn_xI₂Br，其中0＜x＜1，優選0.05≤x≤0.5。

一種離子摻雜的CsPbI₂Br薄膜的制備方法，包括如下步驟：

(1)將CsBr溶于DMF溶劑中，并攪拌至CsBr完全溶解制成30～300mg/mL的溶液；

(2)向步驟(1)所得溶液中加入MnI₂粉末，并攪拌溶解；繼續向溶液中加入PbI₂粉末，并于避光條件下攪拌反應，反應充分后即得到含錳離子的CsPb_(1-x)Mn_xI₂Br鈣鈦礦前驅體溶液，其中，MnI₂粉末在溶液中的濃度為0.05～0.5mol/L；PbI₂粉末在溶液中的濃度為0.95～0.5mol/L；

(3)將步驟(2)所得前驅液滴于基底上，然后旋涂10～40秒；最后再于70～120℃條件下退火處理30～120分鐘，然后冷卻至室溫，即得含錳離子鈣鈦礦薄膜。

進一步地，步驟(2)中，向步驟(1)所得溶液中加入MnI₂粉末，并攪拌30～40分鐘溶解；向溶液中加入PbI₂粉末，并于避光條件下攪拌反應12～14小時。

進一步地，步驟(3)中，所述的基底是通過在導電玻璃FTO或ITO上旋涂二氧化鈦形成。

本發明與現有技術相比，其優勢為：

(1)本發明通過離子摻雜,在空氣中就可制備高質量的CsPb_(1-x)Mn_xI₂Br鈣鈦礦薄膜，可有效避免當前太陽能電池制備的繁瑣手套箱操作及昂貴真空蒸發設備投入；

(2)本發明通過離子摻雜制備的CsPb_(1-x)Mn_xI₂Br薄膜，利用儲量豐富、無毒且價格低廉的Mn元素取代了對環境有害的Pb元素，大大增加了其商業化的可行性；

(3)本發明通過簡單的離子摻雜工藝，使得所制備的CsPb_(1-x)Mn_xI₂Br薄膜的光譜吸收范圍得到了很好的擴寬，初次試制的平面異質結鈣鈦礦電池的效率達9.7％，為進一步制備高效的無機鈣鈦礦電池奠定的基礎。

附圖說明

圖1為制備鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖。

圖2為傳統CsPbI₂Br薄膜掃描電鏡(SEM)形貌圖。