[发明专利]一种高质量卤化物钙钛矿薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种高质量卤化物钙钛矿薄膜的制备方法，属于卤化物钙钛矿半导体技术领域。本发明通过调控卤化物钙钛矿前驱体，在基底上涂敷卤化物钙钛矿前驱体湿膜，在密闭空间中调控前驱体湿膜中溶剂的挥发过程，从而控制前驱体湿膜的饱和度，抑制均匀成核，促进钙钛矿晶粒的充分生长，实现高质量钙钛矿薄膜的制备。通过本方法，实现了形核少、生长充分、晶界少的高质量卤化物钙钛矿薄膜的可控制备，为高性能卤化物钙钛矿光电子器件的制备提供有力支撑。

技术领域

本发明属于卤化物钙钛矿半导体领域，更具体地，涉及一种高质量卤化物钙钛矿薄膜的制备方法。

背景技术

二十世纪以来，半导体科学与技术的进步，推动着人类社会的快速发展。基于半导体的计算机技术、智能传感技术、通信技术、激光技术、发光与显示技术、太阳能电池新能源技术等，为工业生产和日常生活都带来了极大的便利。半导体材料是半导体技术发展的基础，因而科研工作者们一直致力于新型半导体材料的开发。硅、锗等单质半导体最早被广泛研究，硅也是当前使用最为广泛的半导体材料。硅半导体在芯片以及太阳能电池领域的应用广为人知，但高质量晶硅加工过程中的高能耗带来了高成本。除了硅之外，砷化镓半导体是另一类知名半导体材料。这类材料具备优异的半导体性能，但其材料成本昂贵。随着科研工作者们的不屑努力，性能可与硅以及砷化镓相媲美的金属卤化物钙钛矿半导体材料被发现并受到广泛关注。

金属卤化物钙钛矿材料一般具备ABX₃结构通式，其中A为一价阳离子，B为二价阳离子，X为卤素阴离子。这类材料有着组分与带隙可调、载流子迁移率高、载流子寿命长、激子结合能低、吸光能力强等优异的半导体性能。此外，卤化物钙钛矿原材料来源广泛，可利用低成本溶液加工技术制备，使得其具备显著的低成本优势。目前，卤化物钙钛矿已被研究应用于太阳能电池、发光二极管、光电探测器、激光器等领域，并表现出了优异的性能。在各类应用中，基于卤化物钙钛矿的太阳能电池技术发展最为迅猛。钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已突破至25.5％，接近硅太阳能电池的光电转换效率，并可显著降低太阳能电池的成产成本，有望实现光伏发电度电成本平价乃至廉价化。钙钛矿太阳能电池技术的快速发展有望成为变革性技术，为清洁可持续能源提供有力支撑。

良好的形貌是确保半导体材料优异性能的基础，卤化物钙钛矿半导体也不例外。基于卤化物钙钛矿半导体的各类器件，尤其是太阳能电池中，大量的研究工作围绕优化卤化物钙钛矿薄膜的形貌调控展开。目前，使用最为广泛的形貌调控策略包括快速去除溶剂以及连续沉积。快速去除溶剂策略的典型方法包括反溶剂法、热涂敷法、吹气法以及抽真空法，这些方法的核心思路是快速去除钙钛矿前驱体中的溶剂，使得溶质在短时间内达到过饱和，诱导均匀成核的发生，在短时间内产生大量晶核，从而得到均匀的钙钛矿薄膜。连续沉积策略中，先沉积二价金属盐，比如碘化铅，再将其置于一价盐比如碘化甲胺的氛围中，二价盐与一价盐反应生成钙钛矿。无论是快速去除溶剂策略，还是连续沉积策略，钙钛矿的结晶过程一般在短时间比如数分钟内已基本完成，结晶过程中晶核数量多而晶核生长较少，得到的钙钛矿薄膜中晶粒尺寸较小，一般从数百纳米到数微米，而晶粒之间的晶界对器件性能是不利的。为了进一步制备具有大尺寸晶粒的钙钛矿薄膜，减少晶界，空间限域逆温生长工艺被开发来制备高质量钙钛矿薄膜。在这一方法中，钙钛矿溶液置于两块基底之间，并在高温下加热，利用钙钛矿的逆温溶解特性，实现钙钛矿晶核的充分生长。该方法的不足之处在于晶体生长结束之后，所制备的钙钛矿膜处于液相前驱体中，需要进行有效清理以保证晶体质量，限制了其应用。因此，开发更有效的技术，以实现高质量钙钛矿薄膜的可控制备，具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高质量钙钛矿薄膜的制备方法，通过调控前驱体湿膜中溶剂的挥发过程，从而控制前驱体湿膜的饱和度，抑制均匀成核，促进钙钛矿晶粒的充分生长，实现高质量钙钛矿薄膜的制备。通过本方法，实现了形核少、生长充分、结晶性高、晶界少的高质量卤化物钙钛矿薄膜的可控制备，以促进卤化物钙钛矿半导体光电子器件性能的提升，从而解决现有技术中钙钛矿薄膜形核多，生长不充分，晶界多的技术问题。