CN105256374B - 一种有机钙钛矿薄膜制备装置制备CH3NH3PbI3薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机钙钛矿薄膜制备装置，包括加热平台、静电电极和静电发生器；所述静电电极包括上电极和下电极，且为金属平板，平行放置，上电极与下电极保持绝缘；当在上电极和下电极之间施加电压，在其中间形成均匀静电场；所述静电发生装置与上电极和下电极连接，为其提供电压。本发明的有益效果是：1)制备过程简单，所需设备易操作、结构简单，制备出的有机钙钛矿薄膜结晶质量高，表面平整。2)在薄膜固化结晶阶段，施加静电场，与现有薄膜制备技术兼容，技术推广容易，无需大规模改变现有薄膜制备技术。因此，该薄膜制备技术在有机太阳电池制备领域具有潜在推广价值。

Description

一种有机钙钛矿薄膜制备装置制备CH3NH3PbI3薄膜的方法

技术领域

本发明属于薄膜制备装置及方法，更具体地说，涉及一种有机钙钛矿薄膜制备装置制备 CH₃NH₃PbI₃薄膜的方法。

背景技术

有机钙钛矿薄膜太阳电池由于其高效、制备简单等优点成为研究重点，并且逐步朝实用化发展。而有机钙钛矿薄膜(CH₃NH₃PbI₃)作为该类太阳电池的光吸收层，其薄膜质量的好坏影响整个电池的性能。但是该类型有机太阳电池在研制中还存在许多问题，比如薄膜结晶质量，表面平整性，薄膜化学稳定性，以及提高光电转换效率等。目前提高有机钙钛矿薄膜的主要方法是在薄膜制备过程中添加有机化学修饰剂，比如在有机钙钛矿前驱液中加入助膜剂，如甲基氯化铵(CH₃NH₃Cl)、聚二乙醇(Poly ethylene glycol)等。这种方法虽然能够有效的提高有机钙钛矿薄膜质量，提高薄膜覆盖率，进而提高太阳电池效率。但是采用添加化学修饰剂的方法会增加成本，同时方法单一，对太阳电池效率提升效果有限。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构合理，提升质量的有机钙钛矿薄膜制备装置制备CH₃NH₃PbI₃薄膜的方法。

这种有机钙钛矿薄膜制备装置，包括加热平台、静电电极和静电发生器；所述静电电极包括上电极和下电极，且为金属平板，平行放置，上电极与下电极保持绝缘；当在上电极和下电极之间施加电压，在其中间形成均匀静电场；所述静电发生装置与上电极和下电极连接，为其提供电压。

这种有机钙钛矿薄膜制备装置制备CH₃NH₃PbI₃薄膜的方法，包括如下步骤：

1)有机钙钛矿薄膜的制备：

有机钙钛矿薄膜采用旋涂方法，将有机钙钛矿前驱液旋涂在衬底表面；

首先将衬底加热至60～80℃，然后迅速转移至旋涂仪；

旋涂转速为1500～2000rpm，旋涂时间为15～25s；

将表面旋涂有有机钙钛矿前驱液的衬底迅速转移至加热平台，进行退火固化结晶；

2)利用外电场调控在有机钙钛矿薄膜结晶过程：

将旋涂有机钙钛矿前驱液的衬底放置到外电场装置中进行退火固化处理；

外电场施加装置具有加热衬底与在垂直薄膜表面方向施加静电场的功能；

控制衬底加热温度70～100℃，调节衬底表面静电场强度1000～3000V/cm，加热时间控制在15～45分钟；

加热完毕后，将衬底取出，自然冷却至室温，即得到有机钙钛矿薄膜。

本发明的有益效果是：

1)制备过程简单，所需设备易操作、结构简单，制备出的有机钙钛矿薄膜结晶质量高，表面平整。

2)在薄膜固化结晶阶段，施加静电场，与现有薄膜制备技术兼容，技术推广容易，无需大规模改变现有薄膜制备技术。因此，该薄膜制备技术在有机太阳电池制备领域具有潜在推广价值。

附图说明

图1是本发明涉及的静电场与加热装置结构示意图；

图2是本发明具体实施例中不同静电场强度制备薄膜的荧光光谱数据；

图3是本发明具体实施例中薄膜荧光强度与施加静电场强度之间的关系；

附图标记说明：加热平台1、上电极21、下电极22、静电发生器3。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。虽然本发明将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本发明限制在所述实施例中。相反，本发明将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本发明的范围内的替换物、改进型和等同物。

本发明的制备方法如下：

1)有机钙钛矿薄膜的制备：

有机钙钛矿薄膜采用旋涂方法，将有机钙钛矿前驱液旋涂在衬底表面。首先将衬底加热至 60～80℃，然后迅速转移至旋涂仪。旋涂转速为1500～2000rpm，旋涂时间为15～25s。将表面旋涂有有机钙钛矿前驱液的衬底迅速转移至加热平台，进行下一步退火固化结晶。

2)利用外加静电场调控在有机钙钛矿薄膜结晶过程：

将旋涂有机钙钛矿前驱液的衬底放置到外电场装置中进行退火固化处理。外电场施加装置具有加热衬底与在垂直薄膜表面方向施加静电场的功能。控制衬底加热温度70～100℃，调节衬底表面静电场强度0～4000V/cm，加热时间控制在15～45分钟。加热完毕后，将衬底取出，自然冷却至室温，即得到有机钙钛矿薄膜。

本发明中涉及静电装置的作用是在衬底表面施加静电电场，包括加热平台1，静电电极，以及静电发生器3。所述静电电极包括上电极21和下电极22。静电发生器3与上电极21和下电极22连接，在上电极21和下电极22之间形成均匀静电电场。

上电极21与下电极22保持绝缘，其间距可以调节，并在两电极之间形成均匀静电场。

下电极22紧贴加热平台1，也可直接将加热平台1表面作为下电极22。将样品放置在下电极22表面，进行加热处理与施加静电场。

实施例1：

取3ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液，加0.463gPbCl₂，加热至70℃，在氮气氛围下搅拌2小时。加入1.426g甲基碘化胺(CH₃NH₃I)，继续搅拌24小时，最终形成以DMF为基底的CH₃NH₃PbI₃前驱液。

将FTO衬底在四氯化碳、丙酮、酒精、去离子水中各超声清洗10分钟，用氮气吹干，然后在烘箱中烘干。在旋涂前驱液之前，现将FTO衬底在60℃加热5分钟，然后转移至旋涂仪中。采用旋涂法制备有机钙钛矿薄膜，旋涂速度2000rpm，旋涂时间20s。旋涂结束后，在衬底表面形成一层未固化结晶的有机钙钛矿薄膜层。

设定加热台温度，使下电极22表面温度为70℃。将旋涂有机钙钛矿前驱液的衬底放置在下电极22表面，然后施加静电场，使衬底处于均匀静电场环境退火固化。退火固化时间为30 分钟，最终得到有机钙钛矿薄膜。静电场强度从0V/cm到4000V/cm，通过测量有机钙钛矿薄膜的荧光光谱，发现静电场能够有效的薄膜结晶质量，提高薄膜中载流子的辐射复合效率与寿命，如图2所示。当静电场强度在1000～3000V/cm时，效果最好，继续增加场强，荧光效率迅速降低，如图3所示。

本发明的原理为：将有机钙钛矿前驱液旋涂在衬底上，在固化结晶阶段在衬底表面施加外加电场，利用静电场调控晶体固液相的吉布斯自由能，进而提高有机钙钛矿薄膜的结晶质量。利用物理方法调控薄膜结晶质量，晶粒大小，以及其光电性质。在薄膜结晶阶段，外加静电场可以改变其吉布斯自由能和溶剂的粘滞系数，减缓结晶速率，增大晶粒尺寸，提高薄膜结晶质量与改善表面形貌。

Claims (1)

1.一种有机钙钛矿薄膜制备装置制备CH₃NH₃PbI₃薄膜的方法，其特征在于：所述装置包括加热平台(1)、静电电极和静电发生器(3)；所述静电电极包括上电极(21)和下电极(22)，且为金属平板，平行放置，上电极(21)与下电极(22)保持绝缘；当在上电极(21)和下电极(22)之间施加电压，在其中间形成均匀静电场；所述静电发生装置(3)与上电极(21)和下电极(22)连接，为其提供电压；所述方法包括如下步骤：

1)有机钙钛矿薄膜的制备：

有机钙钛矿薄膜采用旋涂方法，将有机钙钛矿前驱液旋涂在衬底表面；

首先将衬底加热至60～80℃，然后迅速转移至旋涂仪；

旋涂转速为1500～2000rpm，旋涂时间为15～25s；

将表面旋涂有有机钙钛矿前驱液的衬底迅速转移至加热平台，进行退火固化结晶；

2)利用外电场调控在有机钙钛矿薄膜结晶过程：

将旋涂有机钙钛矿前驱液的衬底放置到外电场装置中进行退火固化处理；

外电场施加装置具有加热衬底与在垂直薄膜表面方向施加静电场的功能；

控制衬底加热温度70～100℃，调节衬底表面静电场强度1000～3000V/cm，加热时间控制在15～45分钟；

加热完毕后，将衬底取出，自然冷却至室温，即得到有机钙钛矿薄膜。