一种钙钛矿多晶薄片及其制备方法和应用与流程

2021-01-31 05:01:29|

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【技术领域】

本发明属于半导体光电材料领域，具体涉及一种钙钛矿多晶薄片及其制备方法和应用。

背景技术：

铅卤钙钛矿材料具有优异的光电性能，被广泛地应用于太阳能电池、led、激光器、射线探测器等器件当中。目前发现钙钛矿材料做射线探测器具有较高的灵敏度，受到了人们的广泛关注。然而，目前报道的高性能的器件大部分为面积较小的单晶，为进一步实现钙钛矿材料的大规模应用，发展大面积钙钛矿材料的制备技术成为目前研究中需要解决的问题。同时，钙钛矿射线探测器的性能与钙钛矿材料的厚度呈正相关的关系，发展钙钛矿厚膜的制备技术也是亟需解决的问题。

目前，通常采用缓慢降温生长法，逆温度梯度生长法，抗溶剂辅助生长法等生长单晶做射线探测器，但是生长过程中容易造成巨大的原料浪费，而且生长的晶体一般较小。因此，需要开发一种可快速制备晶体，可操作性强，材料利用率高，制备成器件性能好的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种钙钛矿多晶薄片及其制备方法和应用，以解决现有技术中缺乏钙钛矿厚膜制备方法的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种钙钛矿多晶薄片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将ax粉末溶于低级醇中，搅拌溶解后得到溶液b；在溶液b中加入pbx2粉末，搅拌均匀后在溶液中生成钙钛矿前驱体，离心处理包含有钙钛矿前驱体的溶液得到离心产物，将离心产物干燥处理后，得到钙钛矿粉末；所述a为cs²⁺、ch3nh3²⁺或ch(nh2)2²⁺，x为卤素，所述低级醇和ax粉末相溶，且和钙钛矿前驱体不溶；

步骤2，将钙钛矿粉末通过原位热压法制备成钙钛矿多晶薄片。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤1中，将ax粉末溶于低级醇中，在60-90℃下搅拌，得到溶液b。

优选的，所述低级醇为异正丁醇、乙丙醇、异丙醇或异丁醇。

优选的，步骤1中，ax粉末和低级醇的混合比例为(1-10)g:10ml。

优选的，步骤1中，在溶液b中加入pbx2粉末，搅拌均匀后离心处理3-5次。

优选的，步骤1中，干燥温度为40-150℃，干燥时间为6-18h。

优选的，步骤2中，所述原位热压法具体为：将钙钛矿粉末加入至模具中，加热并加压，获得钙钛矿多晶薄片。

优选的，所述加热温度为80-250℃，压力为0.1-40mpa，加热并加压的时间为1-12h。

一种通过上述制备方法制得的钙钛矿多晶薄片，所述钙钛矿多晶薄片为apbx3，其厚度为10μm到5mm。

优选的，所述钙钛矿多晶薄片应用在钙钛矿探测器中，钙钛矿多晶薄片的灵敏度≤5.14×10⁴μcgyair^-1cm^-2。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种钙钛矿多晶薄片的制备方法，利用溶液法，首先通过能够和ax粉末相容的溶液将ax粉末溶解在有机溶剂中，然后在溶液中加入pbx2粉末，使得pbx2粉末和ax粉末能够反应生成钙钛矿前驱体，因为生成的钙钛矿前驱物不溶于有机溶剂，使得钙钛矿前驱体能够通过离心过程从过程溶液中分离出来；该制备过程不同于现有的原位热压法的制备过程，通过溶液法制备出的钙钛矿粉末，其原料更加均匀，使得前驱物进行充分的反应，可以实现80％的原料利用率，避免了原料的浪费。采用化学方法制备钙钛矿材料，如旋涂法、溶液法生长晶体的过程中，只有一部分的溶液得到了有效的利用，存在着大量的溶液浪费及原料浪费问题。通过该分步法制备钙钛矿粉末，在加热加压条件下获得高质量的、厚度可控的钙钛矿多晶薄片。

进一步的，在60-90℃下搅拌，保证ax粉末能够充分的溶解在低级醇中。

进一步的，通过多次离心，保证能够从溶液中分离出尽量多的钙钛矿前驱体。

本发明还公开了一种钙钛矿多晶薄片，该多晶薄片，晶粒生长快，晶粒纯度高，该方法获得的多晶薄片具有与单晶材料相当的载流子迁移率和载流子收集效率，能够用于制备不同结构的射线探测器。

本发明还公开了一种钙钛矿多晶薄片的应用，可用于制备高质量钙钛矿光电器件。

【附图说明】

图1为本发明实例中所述的钙钛矿多晶片做x射线探测器。

图2为本发明实施例1中所述的钙钛矿多晶片的扫描电镜图；

图3为本发明实施例1中所述的探测器对x射线的响应。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种制备复合钙钛矿多晶薄片的方法，包括如下步骤：

步骤1，通过溶液法制备钙钛矿粉末。

将ax粉末溶于低级醇中，混合比例为(1-10)g:10ml；优选的，低级醇为正丁醇、乙丙醇、异丙醇或异丁醇，在60℃-90℃下搅拌溶解，得到溶液b，再将pbx粉末倒入溶液b中，pbx和ax混合比例为apbx3的化学计量比，搅拌至pbx与溶液完全反应，离心数次得到钙钛矿粉末后，将离心产物干燥6-18h，干燥温度为40-120℃，得到钙钛矿粉末，其中ax粉末中的a为cs²⁺、ch3nh3²⁺或ch(nh2)2²⁺，x为卤素，具体的为cl^-、br^-和i^-。该步骤中有机溶剂为生成钙钛矿粉末提供了溶剂场所，使得生成的钙钛矿粉末均匀，为后步的结晶做准备。

步骤2，制备钙钛矿多晶薄片

将钙钛矿粉末放入至模具中，加压加热1-12h，压力为0.1-40mpa，加热温度为80-250℃，实现原料之间的反应，将原料压制成片状，压制过程中通过控制压力机压力，获得目标厚度的获得钙钛矿多晶薄片，钙钛矿多晶薄片的厚度为10μm-5mm，该步骤中，通过加压的方式，将原料进行压制，促进晶粒生长，获得钙钛矿多晶薄片。

步骤3，通过旋涂，将电子传输层或空穴传输层均匀地铺在晶片表面。

步骤4，通过蒸镀，再将金属电极覆盖在传输层或晶片表面。

上述步骤中，作为探测器，钙钛矿多晶薄片上表面或下表面的金属电极为必要，根据需求能够在钙钛矿多晶薄片的上表面和上金属电极之间设置空穴传输层或电子传输层，或者是在钙钛矿多晶薄片的下表面和下金属电极之间设置空穴传输层或电子传输层，以促进电子的传输，然后在上下表面进行金属电极的蒸镀。

实施例1

1、先将1g的ch2nh3i粉末溶于10ml的异丙醇中，80℃下搅拌至溶解，再将2g的pbi2粉末倒入溶液中，搅拌2h，离心3次得到钙钛矿固体粉末，在60℃下干燥12h后得到钙钛矿粉末。

2、将钙钛矿粉末放入圆形模具中，通过高温高压的方式(10mpa，150℃)，压制5h后，将原料压制成片状，获得钙钛矿多晶薄片；

3、将冷却后的晶片取出，分别在两面蒸镀厚度50nm，100nm的金做电极；

4、测试制备的x射线探测器在不同条件下的灵敏度。

参见图1，为本实施例制备出的钙钛矿多晶片做x射线探测器，参见图2为本实施例做出钙钛矿多晶薄片的金相图，从图中可以看出，通过该方法制备出的钛矿多晶薄片的晶粒均匀，其尺寸为20μm左右，图3为对该钙钛矿多晶薄片灵敏度的测试，从图中可以看出，该钙钛矿多晶薄片的灵敏度可达5.14×10⁴μcgyair^-1cm^-2。

实施例2

1、先将1g的ch2nh3br粉末溶于10ml的异丙醇中，80℃下搅拌至溶解，再将2g的pbbr2粉末倒入溶液中，搅拌2h，离心3次，在80℃干燥12h后得到钙钛矿粉末。

2、将钙钛矿粉末放入圆形模具中，通过高温高压的方式(10mpa，150℃)，压制8h后，将原料压制成片状，获得钙钛矿多晶薄片；

3、将冷却后的晶片取出，在其中一面旋涂电子传输层(20mg/ml的pcbm溶液)，另一面不做处理；