一种有效改善载流子传输的准二维钙钛矿薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及钙钛矿薄膜制备技术领域，更具体的是涉及有效改善载流子传输的准二维钙钛矿薄膜的制备方法技术领域。

背景技术

准二维钙钛矿具有比三维钙钛矿材料更好的稳定性和低的离子迁移特性，在光电薄膜器件领域具有巨大的应用前景。然而，溶液法制备的准二维钙钛矿薄膜并非纯相，而是由多个相组成；这种无规则的多相分布会限制载流子的传输进而影响薄膜器件性能。因此，改善薄膜电荷传输进而提高薄膜器件性能，是准二维钙钛矿材料的研究热点。

目前改善准二维钙钛矿薄膜电荷传输的研究主要集中在两个方面，一是调控准二维钙钛矿薄膜的晶粒生长取向与薄膜器件电荷收集方向相一致，便可在电荷收集方向上形成快速的电荷传输通道，进而提高电极对载流子的收集效率。另一方面是调控准二维钙钛矿薄膜的相组成和相分布，使其沿着电荷收集方向形成渐变的组分分布，便可在电荷收集方向上形成自发的内建电场，促进电子和空穴的分离，进而提高电极对载流子的收集效率。另外，现有专利公开了如下技术：

公开号为CN113078267B，专利名称为“一种掺杂三维钙钛矿的准二维钙钛矿太阳能电池及其制备方法”的专利公开了如下内容：一种掺杂三维钙钛矿的准二维钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：(1)前驱体溶液的制备；(2)基底的预处理；(3)旋涂空穴传输层；(4)旋涂电子传输层和钙钛矿吸收层；(5)旋涂PEI修饰层和成品制备。本发明通过简单的旋涂法在准二维钙钛矿前驱体溶液中加入三维钙钛矿作为添加剂即可制备得到掺杂三维钙钛矿的准二维钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池的各项性能显著提高，尤其是光伏电池效率提升了41％，同时有效提升了载流子提取效率和降低了内部缺陷态密度，符合目前对钙钛矿太阳能电池的迫切需求。

公开号为CN115594413A，专利名称为“一种钠掺杂二维钙钛矿薄膜的制备方法”的专利公开了如下内容：一种钠掺杂二维钙钛矿薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：ITO导电玻璃氧化铟锡的清洗：将ITO导电玻璃放到洗洁精的水中浸渍10分钟，然后用带橡胶手套的手反复揉搓导电面20次，以去除表面的灰尘；之后分别用丙酮、去离子水、无水乙醇各超声清洗15分钟，最后放在干净的无水乙醇中浸泡备用。该钠掺杂二维钙钛矿薄膜的制备方法，通过Na离子掺杂修饰，二维钙钛矿(BA)2MA3 Pb4 I13的成膜质量明显提高，致密性和均匀性均得到了提高。

公开号为CN114540023A，专利名称为“准二维钙钛矿薄膜相纯度的调控方法”的专利公开了如下内容：一种准二维钙钛矿薄膜相纯度的调控方法，属于化学材料技术领域，将准二维钙钛矿前驱体盐溶于极性溶剂中，得到前驱体溶液；将有机小分子酯选择合适的浓度加入到反溶剂中，得到有机小分子酯类添加剂；将前驱体溶液滴加在基底上，匀速旋涂，在旋涂时将有机小分子酯类添加剂滴加到前驱体溶液上进行成膜，后加热退火，得到准二维钙钛矿薄膜。本发明有机小分子酯类添加剂调控准二维钙钛矿薄膜相纯度的调控技术相比于传统调控技术的制备过程而言，操作简单，不受设备和实验条件限制，材料价格低廉，可重复性高。

上述专利均能改善准二维钙钛矿薄膜的载流子传输，提高相应的薄膜器件性能。但准二维钙钛矿薄膜器件的性能仍然低于和其对应的三维钙钛矿的性能，需要提出改善准二维钙钛矿的载流子传输性能的新策略，突破准二维钙钛矿薄膜器件的性能瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于：为解决解决现有二维钙钛矿薄膜的载流子传输低于三维钙钛矿的技术问题，本发明提供一种有效改善载流子传输的准二维钙钛矿薄膜的制备方法。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种有效改善载流子传输的准二维钙钛矿薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1、准备原料：准备碘化铅(PbI

S2、配制钙钛矿前驱体溶液：将步骤S1中的原料按照摩尔比为PEAI：MAI：PbI

S3、ITO衬底清洗：将ITO衬底进行清洗，将清洗后的ITO衬底转移到氮气手套箱；

S4、薄膜器件制备：先将经过步骤S3中处理的ITO衬底放置在热台上进行预热，转移到匀胶机上，滴加步骤S2中制备的PEA

将样品冷却到室温后，滴加PC

进一步地，步骤S1中，碘化铅的纯度为96.0％～99.6％、苯乙基碘化胺的纯度为98.0％～99.6％、甲基碘化胺的纯度为98.0％～99.6％、N,N-二甲基甲酰胺的纯度为98.0％～99.9％以及碳酰肼的纯度为95％～99％。

具体来说，上述原料纯度范围的优选纯度如下，碘化铅(PbI

进一步地，步骤S2中，x分别设置为0、0.5％、1％、1.5％和2％，制得的薄膜器件分别记为C

进一步地，步骤S3中，ITO衬底清洗时，分别用去离子水、丙酮、乙醇超声清洗15～22min，然后用氮气枪吹干，使用前用空气等离子体处理8～12min，然后将ITO衬底转移到氮气手套箱。

进一步地，步骤S4中，先将经过步骤S3中处理的ITO衬底放置在热台上进行预热，热台温度为105℃～115℃预热3min～7min，转移到匀胶机上，滴加50～65μL步骤S2中制备的PEA

进一步地，步骤S4中，先将经过步骤S3中处理的ITO衬底放置在热台上进行预热，热台温度为100℃预热5min，转移到匀胶机上，滴加60μL步骤S2中制备的PEA

进一步地，步骤S4中，将样品冷却到室温后，滴加PC

进一步地，步骤S4中，将样品冷却到室温后，滴加PC

进一步地，步骤S4中，PC

进一步地，步骤S4中，PC

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过在前驱体溶液中添加CBH，来改善二维钙钛矿薄膜中3D相的结晶状态，提高3D相的含量，进而促进薄膜内部载流子传输和传输层对载流子的抽取，从而获得高性能的自驱动光电探测器。

2、系统研究添加剂分子与钙钛矿之间的相互作用，表征添加剂分子中特定官能团与钙钛矿原子之间的化学交互作用，分析其对钙钛矿结晶过程的影响，以此指导添加剂分子的选择。

附图说明

图1为CBH掺杂前后对薄膜结晶状态和组织结构的影响图表，其中，图1(a)为C

图2为CBH掺杂对薄膜载流子传输性能的影响的图表，图2(a)为旋涂PC

图3为前驱液在热台上结晶随时间的变化的表征图，图3(a)为C

图4为CBH掺杂对薄膜器件光电性能的影响，图4(a)为薄膜器件结构示意图，图4(b)为C

图5为CBH掺杂对薄膜和薄膜器件稳定性的影响的示意图，图5(a)为C

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供一种有效改善载流子传输的准二维钙钛矿薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1、准备原料：准备纯度为96.0％的碘化铅(PbI

S2、配制钙钛矿前驱体溶液：将步骤S1中的原料按照摩尔比为PEAI：MAI：PbI

S3、ITO衬底清洗：ITO衬底清洗时，分别用去离子水、丙酮、乙醇超声清洗15min，然后用氮气枪吹干，使用前用空气等离子体处理8min，然后将ITO衬底转移到氮气手套箱；

S4、薄膜器件制备：先将经过步骤S3中处理的ITO衬底放置在热台上进行预热，热台温度为105℃预热3min，转移到匀胶机上，滴加50μL步骤S2中制备的PEA

将样品冷却到室温后，滴加质量浓度为18mg/mL的PC

其中，x分别设置为0、0.5％、1％、1.5％、2％，制得的薄膜器件分别记为C

实施例2

本实施例提供一种有效改善载流子传输的准二维钙钛矿薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1、准备原料：准备纯度为99.6％的碘化铅(PbI

S2、配制钙钛矿前驱体溶液：将步骤S1中的原料按照摩尔比为PEAI：MAI：PbI

S3、ITO衬底清洗：ITO衬底清洗时，分别用去离子水、丙酮、乙醇超声清洗22min，然后用氮气枪吹干，使用前用空气等离子体处理12min，然后将ITO衬底转移到氮气手套箱；

S4、薄膜器件制备：先将经过步骤S3中处理的ITO衬底放置在热台上进行预热，热台温度为115℃预热7min，转移到匀胶机上，滴加65μL步骤S2中制备的PEA

将样品冷却到室温后，滴加质量浓度为22mg/mL的PC

其中，x分别设置为0、0.5％、1％、1.5％、2％，制得的薄膜器件分别记为C

实施例3

本实施例提供一种有效改善载流子传输的准二维钙钛矿薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1、准备原料：准备纯度为99.5％的碘化铅(PbI

S2、配制钙钛矿前驱体溶液：将步骤S1中的原料按照摩尔比为PEAI：MAI：PbI

S3、ITO衬底清洗：ITO衬底清洗时，分别用去离子水、丙酮、乙醇超声清洗20min，然后用氮气枪吹干，使用前用空气等离子体处理10min，然后将ITO衬底转移到氮气手套箱；

S4、薄膜器件制备：先将经过步骤S3中处理的ITO衬底放置在热台上进行预热，热台温度为110℃预热5min，转移到匀胶机上，滴加60μL步骤S2中制备的PEA

将样品冷却到室温后，滴加质量浓度为20g/mL的PC

其中，x分别设置1％，制得的薄膜器件分别记为C

对比例1

其他步骤和数据与实施例3相同，不同点在于配制钙钛矿前驱体溶液中不含碳酰肼(CBH)掺杂。即x分别设置0，制得的薄膜器件分别记为C

以实施例3与对比1为例研究碳酰肼(CBH)掺杂前后对薄膜结晶状态和组织结构的影响。图1为CBH掺杂前后对薄膜结晶状态和组织结构的影响图表，其中，图1(a)为C

图1(a)中XRD衍射峰半峰宽从0.240减小到0.227，说明合适浓度的碳酰肼(CBH)添加，可以提高薄膜结晶质量。图1(b)中紫外可见吸收光谱和图1(c)中正背面稳态PL光谱显示，在C

以实施例3与对比1为例研究研究CBH掺杂对薄膜载流子传输性能的影响，图2为CBH掺杂对薄膜载流子传输性能的影响的图表，图2(a)为旋涂PC

图2(a)和图2(b)中瞬态吸收数据表明CBH的添加，可以加快载流子从2D相转移到3D相，同时PC

以实施例3与对比1为例讨论CBH作用机理，通过观察C

图3(a)可以明显看到C

以实施例3与对比1为例验证CBH掺杂对薄膜器件光电性能的影响，图4为CBH掺杂对薄膜器件光电性能的影响，图4(a)为薄膜器件结构示意图，图4(b)为C

图4(a)展示了自驱动光电探测器结构示意图，结构为ITO/PEA

以实施例3与对比1为例研究CBH掺杂对薄膜和薄膜器件稳定性的影响，图5为CBH掺杂对薄膜和薄膜器件稳定性的影响的示意图，图5(a)为C

C

综上，本发明通过在前驱体溶液中添加CBH，来改善二维钙钛矿薄膜中3D相的结晶状态，提高3D相的含量，进而促进薄膜内部载流子传输和传输层对载流子的抽取，从而获得高性能的自驱动光电探测器。