[發(fā)明專利]一種制備鈣鈦礦薄膜的方法及應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2021-06-15
• 公開（公告）號: CN113410397A
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚建銓;唐新;李騰騰;李慶巖;趙宏亮;王思磊;李夢瑤
• 申請（專利權(quán)）人: 南方科技大學(xué)
• 主分類號: H01L51/48
• 分類號: H01L51/48;H01L51/46;H01L51/42
• 代理公司: 鄭州優(yōu)盾知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 41125
• 代理人: 王紅培

本發(fā)明提供了一種制備鈣鈦礦薄膜的方法及應(yīng)用，步驟如下：S1：制備鈣鈦礦前驅(qū)液；S2：在鈣鈦礦前驅(qū)液旋涂過程中滴加預(yù)熱處理后的叔丁醇反溶劑；S3：依次進行熱退火和溶劑退火處理得到鈣鈦礦薄膜。本發(fā)明引入低毒性環(huán)保型試劑——叔丁醇，作為在空氣環(huán)境（相對濕度在10?30%范圍內(nèi)）制備鈣鈦礦的反溶劑，可以減少在成核過程中空氣水分對鈣鈦礦的分解作用，改善鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶狀況，結(jié)合預(yù)熱處理和溶劑退火工藝的優(yōu)化過程，最終形成均勻、光滑、無針孔、呈鏡面的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電子材料與器件領(lǐng)域，具體涉及一種制備鈣鈦礦薄膜的方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

光電探測器（PDs）在光通信、生物檢測、機器視覺、圖像傳感等許多光電應(yīng)用中發(fā)揮著不可或缺的作用。近年來，溶液處理的有機-無機雜化鈣鈦礦（OIHP）材料在太陽能電池、發(fā)光二極管和PDs中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。由于其獨特的光電特性，包括高光吸收系數(shù)、長激子擴散長度、高載流子遷移率和可調(diào)諧帶隙等，OIHPs被認為是構(gòu)建高性能PDs的有希望的候選材料。與傳統(tǒng)PDs相比，鈣鈦礦PDs具有成本低、操作方便和靈活性等吸引人的優(yōu)點。然而，由于鈣鈦礦中的有機陽離子對環(huán)境空氣中的光、濕度、溫度非常敏感，因此在大規(guī)模生產(chǎn)和實際應(yīng)用中仍存在一定的阻力。由于涉及到材料本身的降解、特殊的制備環(huán)境等，大多數(shù)高性能鈣鈦礦光電器件的加工環(huán)境通常是在濕度小于1%的充氮手套箱或真空鍍膜機中，這大大增加了器件制造和設(shè)備維護的成本，在無特殊防護措施的環(huán)境條件下制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜勢在必行。

目前，反溶劑輔助結(jié)晶法由于其簡單性、可擴展性和低成本的優(yōu)勢，已成為探索在環(huán)境空氣中制備高質(zhì)量鈣鈦礦的首選方法。盡管有許多反溶劑，包括氯苯（CB）、甲苯（TL）和乙酸乙酯等，被認為是溶劑工程的有效的候選溶劑。但是其中大多數(shù)具有致癌性，極易對人體健康造成不可逆轉(zhuǎn)的危害。更重要的是，利用上述反溶劑在空氣處理的鈣鈦礦薄膜通常伴隨著不同程度的針孔和粗糙的表面形貌，從而導(dǎo)致OIHPs薄膜的光電性能明顯下降。因此，選擇一種低毒性且能夠有效控制環(huán)境空氣中OIHPs薄膜結(jié)晶狀態(tài)的反溶劑成為一個新挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種制備鈣鈦礦薄膜的方法及應(yīng)用，其目的在于降低鈣鈦礦薄膜制備過程的設(shè)備依賴度，解決現(xiàn)有空氣環(huán)境中制備鈣鈦礦薄膜方法無法同時兼顧低毒性和高質(zhì)量的問題。

實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種制備鈣鈦礦薄膜的方法，步驟如下：

S1：制備鈣鈦礦前驅(qū)液；

S2：在鈣鈦礦前驅(qū)液旋涂過程中滴加預(yù)熱處理的叔丁醇反溶劑；

S3：依次進行熱退火和溶劑退火處理得到鈣鈦礦薄膜。

所述步驟S1中鈣鈦礦為CH₃NH₃PbI₃。

將CH₃NH₃I粉末和PbI₂粉末溶解于DMF與DMSO的混合溶劑中，磁力攪拌，反應(yīng)充分后得到黃色澄清的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。

所述步驟S2中鈣鈦礦前驅(qū)液與叔丁醇反溶劑的體積比為1：（2.4-3.8），以6000rpm旋涂30s，叔丁醇反溶劑在滴加前置于30-40℃的熱臺上進行預(yù)熱處理，預(yù)熱時間為20-30min。

所述步驟S3中熱退火溫度為100℃-120℃，其中熱退火作用時間為10-15min；溶劑退火溫度為100℃-120℃，溶劑退火時間為5-10min，溶劑退火使用的試劑為DMSO，體積為10-30 μL。

制備得到的鈣鈦礦薄膜在鈣鈦礦光電探測器中的應(yīng)用。

所述鈣鈦礦光電探測器從下到上依次包括導(dǎo)電基底、空穴傳輸層、鈣鈦礦薄膜、電子傳輸層和金屬電極。

所述導(dǎo)電基底為ITO玻璃，空穴傳輸層為PEDOT：PSS，電子傳輸層為PC₆₁BM和BCP，金屬電極為金或銀。