[发明专利]一种大面积光电功能薄膜的结构、制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种大面积光电功能薄膜的结构、制备方法及其应用。本发明通过对非浸润或普通浸润的大面积衬底进行涂层包覆得到超浸润涂层。超浸润涂层位于光电功能层下面，超浸润涂层可以使光电功能材料溶液的接触角θ10°，增强衬底表面对气泡的抑制能力。通过本发明方法制备的大面积光电功能薄膜的针孔密度和埋底孔洞密度显著降低，薄膜制造良率提高，薄膜与衬底的结合力提高。以本发明制得的大面积光电功能薄膜应用于二维钙钛矿的太阳电池中，器件漏电减小，暗电流显著降低，器件短路电流和光电转换效率都明显提升，表明本发明能有效制备高质量的大面积光电功能薄膜并应用于光电器件的制备。

技术领域

本发明属于溶液法制备薄膜光电器件领域，具体涉及一种大面积光电功能薄膜的结构、制备方法与应用。

背景技术

随着人类社会的发展，人们对能源的需求越来越大。化石能源的大规模使用，造成了日益严重的环境污染问题。因此，我们急需开发绿色环保的可再生能源来解决所面临的能源危机。开发高效的光电器件来搜集清洁能源或降低能耗是未来能源战略的发展趋势。在众多新型的光电材料中，如钙钛矿、有机物和量子点等材料具有可溶液加工、光电性能优异和成本低等优点。在新型光电器件中有着广阔的应用前景，也已成为了科研工作者的研究热点。目前，实验室小面积钙钛矿太阳电池、有机太阳电池和绿光钙钛矿LED的最高认证效率已分别达到25.7％、18.2％和28.1％。其中，钙钛矿太阳电池已经非常接近商业晶硅电池的性能。因此，实现溶液法制备薄膜光电器件的商业化发展需要可规模化制备的技术来制备大面积光电材料薄膜。

而随着光电功能层面积的增加，薄膜中形成孔洞或针孔等结构缺陷的机率增加，导致严重的漏电或加剧载流子复合，显著降低器件的性能。究其原因主要为：1)普通浸润或非浸润衬底与前驱体溶液间较弱的相互作用，在刮涂、狭缝涂布、提拉、喷涂、卷对卷、打印、旋涂、丝网印刷等方法的制备过程中因参数设置导致湿膜中混入气泡，或湿膜干燥过程中在环境扰动、局部对流、热效应、毛细压差等偶然因素作用下，溶液内以一定概率产生气泡，局部气泡的产生使薄膜中形成残留的界面孔洞或针孔；2)衬底表面不均匀的浸润性和表面杂质导致溶液覆盖不全；3)在结晶过程中，混合溶剂的挥发速率不一致，在大面积薄膜中造成区域结晶差异，以及后期晶粒生长速率不一致而形成孔洞或针孔。

超浸润表面与普通浸润表面具有不同的科学定义，前者表面能更高，可使溶液在其表面的接触角θ10°并因此呈现自动向外铺展并排除气体吸附的趋势，而溶液在后者的接触角θ10°。但超浸润表面比普通浸润表面更难获取，一般需要利用化学方法在材料表面增加特殊官能团，例如-OH，-NH₂，-I，-Br，-Cl，-COOH，-OSO₃H，-SO₃H，-NR₄⁺等对目标光电材料有特殊亲和力的基团，通常难以用紫外臭氧或等离子体处理直接获得。一方面，通过溶液法制备光电功能层时，在普通浸润的衬底上已经可以获得高覆盖率光电功能层；另一方面，在刮涂等工艺中，普通浸润表面的溶液自铺展效应不明显，方便人们利用刮刀控制、牵引溶液，在特定的时间窗口内通过移动刮刀或衬底实现刮涂成膜。相比之下，超浸润表面上的液体自铺展性强，在控制液体位置和刮涂速度方面存在不方便之处。因此，目前“大面积超浸润涂层/大面积光电功能层”的结构设计没有被刻意用于大面积光电功能薄膜的溶液法制备。然而在溶液法制备过程中，微纳气泡在普通浸润表面的形成速率或钉扎效率强于超浸润表面。这些微纳气泡与薄膜缺陷的形成直接相关，因此衬底的浸润性对所获得光电功能薄膜的针孔及埋底孔洞密度有内在联系。虽然在普通浸润表面制备薄膜足以获得很高的薄膜覆盖率，但是不足以降低隐藏在薄膜中的纳米尺度的针孔或埋底孔洞，导致薄膜品质不高，大面积范围内总是容易存在漏电微区。

发明内容

针对扩大功能层面积易产生孔洞或针孔而导致器件性能下降的问题，本发明的目的是提供一种大面积光电功能薄膜的结构、制备方法与应用，利用含有超浸润涂层的衬底制备均匀、高质量的大面积光电功能薄膜，降低大面积光电功能薄膜的针孔和埋底孔洞的密度，提高薄膜制造良率。