[发明专利]一种调控甲胺基卤化铅钙钛矿单晶离子迁移的方法

说明书

本发明提供一种调控甲胺基卤化铅钙钛矿单晶离子迁移的方法，属于表面微结构加工技术领域，方法是在甲胺基卤化铅钙钛矿单晶的{100}面上沿110晶向进行微纳图形结构的加工，利用图形结构对于离子迁移的有效调控，实现原单晶100晶向上的堆积离子逐渐向110晶向堆积，从而解决因为离子堆积导致的光电器件光电转化效率小、可靠性差、寿命短的问题，在光电器件的应用中具有巨大的潜力。

技术领域

本发明涉及一种调控甲胺基卤化铅钙钛矿单晶离子迁移的方法，属于表面微结构加工技术领域。

背景技术

自上世纪70年代末以来，甲胺基卤化铅钙钛矿(MAPbX₃)材料因其载流子扩散距离长、直接带隙、带隙连续可调等特点，在光探测器件、光伏器件以及电致发光、激光器件等领域受到了广泛关注。但在甲胺基卤化铅钙钛矿材料展现出优异的光电转换性质的同时，Yuan、Yang等人发现了甲胺基卤化铅钙钛矿材料薄膜表面上由于离子迁移导致的电荷堆积现象：在离子迁移的整个过程中，带电离子运动到金属电极附近会被阻挡，从而产生了电荷堆积，而随着电荷堆积的不断加强，在器件正负极之间会形成屏蔽外加电场的内建电场，从而会抑制光生载流子的分离，阻挡载流子向电极两端的扩散，最终导致光生载流子分离效率、输运效率、提取效率的降低，加之带电离子在电极附近所形成的高电荷密度区在电流经过时会发生一系列电化学氧化还原反应，导致器件两端的金属电极周围成分会发生变化，以上的两个因素是导致甲胺基卤化铅钙钛矿器件可靠性差、寿命短的重要原因，但究其根本还是由于离子迁移导致的。

2017年Olga S.Ovchinnikova等人在Advanced Functional Materials：10.1002/adf m.201700749发表了通过在三碘铅甲胺(CH₃NH₃PbI₃)钙钛矿膜晶界中引入尺寸较大的富勒烯衍分子(PC₆0BM)来降低离子的迁移效果。此种方法虽然能够降低钙钛矿晶体的离子迁移，但由于引入了新的大分子，会破坏原钙钛矿晶体的结构，产生表面态、晶格缺陷等问题，导致原有材料的物理性质和化学性质发生变化，对于提高钙钛矿器件的光电转化效率有一定的影响。

2018年Jin-Wook Lee等人在nature communications:10.1038/s41467-018-05454-4发表了通过将少量二维钙钛矿(PEA₂PbI₄)掺入三维钙钛矿(FAPbI₃)前体溶液中，能够稳定纯相的FAPbI₃，以此来钝化晶界增强薄膜稳定性，并抑制离子迁移提高效率。通过这种方法制造的钙钛矿太阳能电池获得了20.64％的效率，且光电流密度超过24mA·cm^-2。虽然此种方法对钙钛矿的离子迁移效应有一定的抑制作用，但此方法仅适用于FAPbI₃材料，且PEA₂PbI₄材料的引入会导致FaPbI₃能带结构改变，进而影响光电器件的多个关键参数。此外，二维钙钛矿的用量需精确控制，过量反而会增强离子迁移效应。

2018年Dong Wei,Fusheng Ma等人在Advanced Materials:10.1002/adma.201707583发表了芳香类分子与有机-无机杂化钙钛矿材料(OIPs)中有机阳离子可形成超分子cation-π相互作用，能够有效抑制OIPs中有机阳离子的迁移。通过这种方法制造的钙钛矿太阳能电池(PSCs)获得了20.86％的最高效率，并取得20.80％的认证效率。但是此方法工艺流程繁琐，且只局限于抑制有机阳离子的迁移。