CN111647848A - 一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法和应用 - Google Patents
一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111647848A CN111647848A CN202010461662.4A CN202010461662A CN111647848A CN 111647848 A CN111647848 A CN 111647848A CN 202010461662 A CN202010461662 A CN 202010461662A CN 111647848 A CN111647848 A CN 111647848A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cspbbr
- film
- magnetron sputtering
- substrate
- area
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 49
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 45
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- LYQFWZFBNBDLEO-UHFFFAOYSA-M caesium bromide Chemical compound [Br-].[Cs+] LYQFWZFBNBDLEO-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 30
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 70
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 32
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 10
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 9
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 2
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims 1
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 6
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 halogen ion Chemical group 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0694—Halides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
- C23C14/3414—Metallurgical or chemical aspects of target preparation, e.g. casting, powder metallurgy
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/12—Halides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B7/00—Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions
- C30B7/02—Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions by evaporation of the solvent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明涉及一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法和应用。所述方法为：分别以CsBr和PbBr2为原料，利用溶液蒸发法制备得到CsPbBr3单晶粉末，将CsPbBr3单晶粉末压制成靶材，将CsPbBr3靶材和衬底放入磁控溅射生长室中，真空条件下进行磁控溅射，退火后得到CsPbBr3薄膜。溶液蒸发法的过程为：将CsBr和PbBr2溶于DMSO溶液中得到混合液，取混合液的上层清液进行蒸发，蒸发后得到CsPbBr3单晶粉末。得到的CsPbBr3单晶粉末为橘红色。实现均匀大面积光电薄膜的制备，易于精确控制薄膜厚度并节省原料。
Description
技术领域
本发明属于钙钛矿薄膜技术领域，具体涉及一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
无机钙钛矿结构(ABX3)的吸光材料具有优异的光学性能，是光电领域的研究热点。在ABX3结构中，A代表金属离子Cs+，B代表金属离子Pb2+，X代表卤族离子Cl-,Br-,I-。目前，无机钙钛矿CsPbBr3薄膜被广泛应用于光电探测，太阳能电池和光电二极管(LED)等。常用的制备方法如旋涂法，化学气相沉积，原子层沉积等方法存在着一定局限性，如薄膜厚度难以精确控制，原料浪费，薄膜尺寸较小等，最重要的是无法制备大面积高质量的薄膜，难以适应工业化生产和实际应用。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法和应用。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法，所述方法为：以CsBr和PbBr2为原料，利用溶液蒸发法制备得到CsPbBr3单晶粉末，将CsPbBr3单晶粉末压制成靶材，将CsPbBr3靶材和衬底放入磁控溅射生长室中，真空条件下进行磁控溅射，退火后得到CsPbBr3薄膜。
本发明的CsPbBr3薄膜制备方法，实现均匀大面积光电薄膜的制备，易于精确控制薄膜厚度并节省原料，制备过程中无污染物的产生，有利于无机钙钛矿光电薄膜的工业化应用。与传统旋涂法和热蒸发法相比，本发明制备得到的CsPbBr3光电薄膜面积更大，薄膜更均匀。利用本发明溶液蒸发法制备的CsPbBr3单晶粉末具有粉末粒度细，粒度均匀，本发明选择上清液进行制备，现有技术中的方法在制备过程中除去了上清液。然后再结合磁控溅射法得到具有高质量、大面积、均匀的CsPbBr3薄膜。
第二方面，上述方法制备得到的CsPbBr3薄膜。
第三方面，上述CsPbBr3薄膜在光电探测，太阳能电池和光电二极管(LED)等领域中的应用。
第四方面，一种光电探测器，包括上述的CsPbBr3薄膜。得到了较好的光电响应性能。
第五方面，一种太阳能电池，包括上述的CsPbBr3薄膜。
本发明的有益效果：
使用溶液蒸发析出法制备的CsPbBr3单晶粉末制备方便，纯度高，并且易于压制成高质量的靶材。
利用磁控溅射薄膜制备技术，可以减少原材料的浪费，避免对环境的污染，并且制备出大面积均匀的CsPbBr3光电薄膜。
利用磁控溅射薄膜制备技术，可以在多种衬底上沉积高质量大面积的CsPbBr3光电薄膜。
本工艺可以应用在大面积柔性钙钛矿光电探测器、发光器件和太阳能电池领域，实现钙钛矿薄膜的工业化生产和实际应用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1磁控溅射法制备的CsPbBr3光电薄膜的SEM平面图；
图2为实施例1磁控溅射法制备的CsPbBr3光电薄膜的SEM截面图；
图3为实施例1磁控溅射法制备的CsPbBr3光电薄膜的XRD图；
图4为实施例1磁控溅射法制备的CsPbBr3光电薄膜的PL谱图；
图5为实施例2磁控溅射法制备的CsPbBr3光电薄膜的光学照片；
图6为实施例3磁控溅射法制备的CsPbBr3光电薄膜为基础，制备的叉指电极结构的光电探测器在465nm的激光照射下测试的I-V曲线图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法，所述方法为：以CsBr和PbBr2为原料，利用溶液蒸发法制备得到CsPbBr3单晶粉末，将CsPbBr3单晶粉末压制成靶材，将CsPbBr3靶材和衬底放入磁控溅射生长室中，真空条件下进行磁控溅射，退火后得到CsPbBr3薄膜。
本发明中首先利用溶液蒸发法得到CsPbBr3单晶粉末，CsBr和PbBr2反应后得到CsPbBr3悬浊液，上清液中含有(CsPbBr3和DMSO)，经过溶液蒸发后，得到纯度较高的CsPbBr3，更为重要的是上清液中的CsPbBr3单晶粉末具有更好的粒度和均匀度。现有技术中CsPbBr3粉末的溶液制备方法中选择除去上清液。本发明将上清液直接分离出来，得到高纯度的CsPbBr3，这样压制得到的靶材质量较高，在磁控溅射时，容易形成均匀的薄膜。
本发明利用磁控溅射的方法，磁控溅射具有沉积速度快，溅射的范围广的特点，所以可以在衬底上得到较大面积的均匀的CsPbBr3薄膜。与现有技术相比，高纯度的靶材加工，合适的薄膜生长条件，可以保证薄膜的晶体结构为立方相。立方相的CsPbBr3薄膜具有优异的光学和电学性能，能够制备出高敏感度的光电探测器。
本发明制备的薄膜的优点解释如下：以CsPbBr3为活性层的太阳能电池为例，小面积(小于1cm2)的太阳能电池转化效率可以达到了14.7％，大面积(12cm2)的模组转化效率低于10％，大尺寸的模组远落后于小尺寸器件。大尺寸CsPbBr3模组性能受限的其中一个关键原因在于难以重复性制备大面积、高质量、高均匀性的CsPbBr3薄膜。从生产角度来讲，磁控溅射沉积技术沉积薄膜的重复性、成膜质量均优于旋涂法等基于溶液的制备方法。一次性制备出大面积的薄膜，再分割成所需的器件，不仅能产生规模效应，提高生产效率，降低单位成本，还能根据实际需要，加工成不同的尺寸、形状，满足客户不同的需求。综上所述，使用磁控溅射法可以制备大面积CsPbBr3薄膜，可重复性的实现大面积模组的高转化效率，并推动CsPbBr3薄膜的工业化应用。
在本发明的一些实施方式中，溶液蒸发法的过程为：将CsBr和PbBr2溶于DMSO溶液中得到混合液，取混合液的上层清液进行蒸发，蒸发后得到CsPbBr3单晶粉末。得到的CsPbBr3单晶粉末为橘红色。
进一步，CsBr和PbBr2的摩尔比为0.5-1.5:1.5-4；优选为1-1.3:1.9-2.8。合适的摩尔比能够保证CsPbBr3粉末纯度，减少同素异形体。
进一步，CsBr和PbBr2溶于DMSO溶液中时，DMSO溶液的温度为70-80℃；优选为75℃。在这个温度范围内有助于CsBr和PbBr2直接反应得到CsPbBr3。
进一步，上层清液进行蒸发的温度为50℃-90℃，蒸发的时间为10-15h；优选为75℃-85℃，时间为12h。上层清液的蒸发温度有利于溶剂快速蒸发，并且不影响得到的CsPbBr3单晶结构，避免CsPbBr3单晶粉末发生团聚。
在本发明的一些实施方式中，CsPbBr3单晶粉末压制成靶材的压强大于3Mpa。
在本发明的一些实施方式中，磁控溅射过程中衬底进行加热，加热的温度为35-275℃。
进一步的，衬底加热的温度为150-175℃。合适的沉积温度可以控制薄膜的晶格取向，提高结晶质量。
在本发明的一些实施方式中，抽真空使磁控溅射室内的压强为1×10-3Pa以下。
在本发明的一些实施方式中，抽真空之后，向磁控溅射室内通入惰性气体，使磁控溅射室内的压强保持0.5-5Pa；优选为0.5-2Pa。向磁控溅射室内通入惰性气体保持气压，保证靶材能够启辉。
在本发明的一些实施方式中，沉积的时间为10-30min。沉积时间延长可以提高薄膜的厚度，提高光的吸收效率。
在本发明的一些实施方式中，磁控溅射过程中射频电源的功率为40-80W。
在本发明的一些实施方式中，衬底为石英衬底，导电玻璃衬底，硅衬底，塑料或者聚合物衬底。
在本发明的一些实施方式中，退火过程为加热衬底，使衬底的温度为120℃-275℃，退火的时间为5-100分钟；优选的，退火过程加热衬底的温度为200-250℃。
第二方面，上述方法制备得到的CsPbBr3薄膜。
第三方面，上述CsPbBr3薄膜在光电探测，太阳能电池和光电二极管(LED)等领域中的应用。
第四方面，一种光电探测器，包括上述的CsPbBr3薄膜。
一种实施方式中，CsPbBr3薄膜位于两个金电极层之间。
第五方面，一种太阳能电池，包括上述的CsPbBr3薄膜。
下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1：
将PbBr2与CsBr按照摩尔比2:1放入75ml的DMSO溶液中，75℃加热磁力搅拌溶解。取出上层清液放入蒸发皿中。将蒸发皿放置在热台上，热台温度保持在75℃。12小时后，收集底部析出的橘红色沉淀。将橘红色沉淀转移到手套箱中，在氩气氛围下65℃烘干。再将烘干后的足量粉末放入模具中，用压片机压制成圆形靶材，压片机压力为5Mpa。将洗净后的石英衬底和CsPbBr3靶材放入生长室中，将腔内真空抽至5×10-5Pa。加热衬底至175℃，使用微调阀将氩气通入生长室，保持生长室的压强在1Pa。打开射频电源，设定功率40W，设定时间为10分钟。沉积完成后，衬底升温至250℃，并保持15分钟，完成原位退火。冷却后取出，CsPbBr3薄膜制备完成。
薄膜形貌见图1，通过图1可以看到，本发明的实施例1制备的CsPbBr3薄膜具有均匀的特点。
图2的SEM照片，图中的上层是CsPbBr3薄膜，下层是衬底，可以得到薄膜的厚度为1.2μm。
XRD见图3，通过图3可以得到本发明制备的CsPbBr3薄膜具有较高的纯度。
PL谱见图4，通过图4可以得到本发明实施例1制备的CsPbBr3薄膜在405nm激发光下在518nm处产生高强度的光致发光。
实施例2：
将PbBr2与CsBr按照摩尔比2.8:1.1放入100ml的DMSO溶液中，75℃加热磁力搅拌溶解。取出上层清液放入蒸发皿中。将蒸发皿放置在热台上，热台温度保持在75℃。12小时后，收集底部析出的橘红色沉淀。将橘红色沉淀转移到手套箱中，在氩气氛围下85℃烘干。再将烘干后的足量粉末放入模具中，用压片机压制成圆形靶材，压片机压力为15Mpa。将洗净后的导电玻璃衬底和CsPbBr3靶材放入生长室中，将腔内真空抽至5×10-5Pa。加热衬底至150℃，使用微调阀将氩气通入生长室，保持生长室的压强在0.5Pa。打开射频电源，设定功率60W，设定时间为30分钟。沉积完成后，衬底升温至220℃，并保持20分钟，完成原位退火。冷却后取出，CsPbBr3薄膜制备完成。
薄膜的宏观相貌见图5光学显微镜下的照片，显微镜放大倍率为20倍。
实施例3：
将PbBr2与CsBr按照摩尔比1.9:1.3放入90ml的DMSO溶液中，75℃加热磁力搅拌溶解。取出上层清液放入蒸发皿中。将蒸发皿放置在热台上，热台温度保持在85℃。12小时后，收集底部析出的橘红色沉淀。将橘红色沉淀转移到手套箱中，在氩气氛围下70℃烘干。再将烘干后的足量粉末放入模具中，用压片机压制成圆形靶材，压片机压力为4Mpa。将洗净后的聚酰亚胺衬底和CsPbBr3靶材放入生长室中，将腔内真空抽至5×10-5Pa。加热衬底至160℃，使用微调阀将氩气通入生长室，保持生长室的压强在2.0Pa。打开射频电源，设定功率80W，设定时间为10分钟。沉积完成后，衬底升温至200℃，并保持25分钟，完成原位退火。冷却后取出，CsPbBr3薄膜制备完成。
将实施例3制备好的薄膜转移到蒸发台上，使用金属硬质掩膜在薄膜上沉积Au叉指电极，形成金属-半导体-金属结构的光电探测器。在不同功率的465nm激光照射下，测试其I-V曲线，以展示其出色的光电性能，其中Dark表示黑暗条件下。在8V的外置偏压和22mW的激光功率下，器件的开关比可以达到1×105。
对比例
利用旋涂法制备CsPbBr3薄膜。具体操作步骤为：在80～100℃下，在洁净的底电极表面喷涂钙钛矿前驱液CsPbBr3，将沉积有钙钛矿CsPbBr3的底电极边旋涂边滴加不良溶剂，在250～300℃下进行退火处理，得到无机钙钛矿薄膜。受限于前驱液中较低的溶质含量，得到的薄膜面积较小，且为枝晶结构。
通过实施例1和对比例的薄膜的面积表征，可以得到本发明得到的薄膜面积更大。
试验例
太阳能电池的转化率具体步骤可为：
选择实施例1的CsPbBr3的光电薄膜制备简易的太阳能电池，底电极为ITO，顶电极为Ag，电子传输层为BCP，空穴传输层为NiO，电子传输层和空穴传输层均使用旋涂法制备，在氩气保护的手套箱内进行退火；
在太阳光模拟器下进行太阳光转化率的检测，在一个光照强度下得到转化率为7.4％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法，其特征在于：所述方法为：以CsBr和PbBr2为原料，利用溶液蒸发法制备得到CsPbBr3单晶粉末，将CsPbBr3单晶粉末压制成靶材，将CsPbBr3靶材和衬底放入磁控溅射生长室中，真空条件下进行磁控溅射，退火后得到CsPbBr3薄膜。
2.如权利要求1所述的磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法，其特征在于：溶液蒸发法的过程为：将CsBr和PbBr2溶于DMSO溶液中得到混合液，取混合液的上层清液进行蒸发，蒸发后得到CsPbBr3单晶粉末；
优选的，CsBr和PbBr2的摩尔比为0.5-1.5:1.5-4；进一步优选为1-1.3:1.9-2.8；
优选的，CsBr和PbBr2溶于DMSO溶液中时，DMSO溶液的温度为70-80℃；进一步优选为75℃；
优选的，上层清液进行蒸发的温度为50℃-90℃，蒸发的时间为10-15h；进一步优选为75℃-85℃，时间为12h。
3.如权利要求1所述的磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法，其特征在于：CsPbBr3单晶粉末压制成靶材的压强大于3Mpa。
4.如权利要求1所述的磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法，其特征在于：磁控溅射过程中衬底进行加热，加热的温度为35-275℃；
优选的，衬底加热的温度为150-175℃。
5.如权利要求1所述的磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法，其特征在于：抽真空使磁控溅射室内的压强为1×10-3Pa以下；
或，抽真空之后，向磁控溅射室内通入惰性气体，使磁控溅射室内的压强保持0.5-5Pa；优选为0.5-2Pa。
6.如权利要求1所述的磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法，其特征在于：沉积的时间为10-30min；
或，磁控溅射过程中射频电源的功率为40-80W；
或，衬底为石英衬底，导电玻璃衬底，硅衬底，塑料或者聚合物衬底；
或，退火过程为加热衬底，使衬底的温度为120℃-275℃，退火的时间为5-100分钟；优选的，退火过程加热衬底的温度为200-250℃。
7.如权利要求1-6任一所述的磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法得到的CsPbBr3薄膜。
8.如权利要求7所述的CsPbBr3薄膜在光电探测，太阳能电池和光电二极管领域中的应用。
9.一种光电探测器，其特征在于：包括权利要求7所述的CsPbBr3薄膜。
10.一种太阳能电池，其特征在于：包括权利要求7所述的CsPbBr3薄膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010461662.4A CN111647848A (zh) | 2020-05-27 | 2020-05-27 | 一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010461662.4A CN111647848A (zh) | 2020-05-27 | 2020-05-27 | 一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111647848A true CN111647848A (zh) | 2020-09-11 |
Family
ID=72350689
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010461662.4A Pending CN111647848A (zh) | 2020-05-27 | 2020-05-27 | 一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111647848A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112226738A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-01-15 | 曲阜师范大学 | 一种无机铯铅卤钙钛矿磁控溅射靶材制备与回收和薄膜生长技术 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106854749A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-06-16 | 广州光鼎科技有限公司 | 一种钙钛矿材料及其相关薄膜的制备方法 |
| CN107792877A (zh) * | 2017-10-27 | 2018-03-13 | 华南理工大学 | 一种离心搅拌合成CsPbBr3纳米晶体的方法 |
| CN107805779A (zh) * | 2017-10-10 | 2018-03-16 | 东南大学 | 一种激光溅射法制备CsPbBr3薄膜的方法 |
| CN108511633A (zh) * | 2017-02-28 | 2018-09-07 | 中国科学院半导体研究所 | 一种无机钙钛矿发光二极管及其制备方法 |
| CN109097741A (zh) * | 2018-08-31 | 2018-12-28 | 鲁东大学 | 一种CsPbBr3薄膜的制备方法 |
| US20190185495A1 (en) * | 2016-05-08 | 2019-06-20 | Ye Da Research And Development Co. Ltd. | Process for the preparation of halide perovskite and perovskite-related materials |
-
2020
- 2020-05-27 CN CN202010461662.4A patent/CN111647848A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190185495A1 (en) * | 2016-05-08 | 2019-06-20 | Ye Da Research And Development Co. Ltd. | Process for the preparation of halide perovskite and perovskite-related materials |
| CN106854749A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-06-16 | 广州光鼎科技有限公司 | 一种钙钛矿材料及其相关薄膜的制备方法 |
| CN108511633A (zh) * | 2017-02-28 | 2018-09-07 | 中国科学院半导体研究所 | 一种无机钙钛矿发光二极管及其制备方法 |
| CN107805779A (zh) * | 2017-10-10 | 2018-03-16 | 东南大学 | 一种激光溅射法制备CsPbBr3薄膜的方法 |
| CN107792877A (zh) * | 2017-10-27 | 2018-03-13 | 华南理工大学 | 一种离心搅拌合成CsPbBr3纳米晶体的方法 |
| CN109097741A (zh) * | 2018-08-31 | 2018-12-28 | 鲁东大学 | 一种CsPbBr3薄膜的制备方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112226738A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-01-15 | 曲阜师范大学 | 一种无机铯铅卤钙钛矿磁控溅射靶材制备与回收和薄膜生长技术 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Moholkar et al. | Development of CZTS thin films solar cells by pulsed laser deposition: influence of pulse repetition rate | |
| CN110459640B (zh) | 一种基于Cs3Cu2I5钙钛矿的自供能光电探测器及其制备方法 | |
| CN107068875B (zh) | 一种优化钙钛矿晶体薄膜形貌的方法 | |
| Luo et al. | Chemical vapor deposition of perovskites for photovoltaic application | |
| CN104485425A (zh) | 钙钛矿型材料制备方法和设备及其光伏器件的加工方法 | |
| CN111739961B (zh) | 基于有序SnO2纳米棒阵列的无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法 | |
| CN106282926A (zh) | 一种室温溅射法制备二氧化钛薄膜的方法 | |
| CN101325227A (zh) | ZnO/纳米金刚石共面栅紫外光探测器的制备方法 | |
| Kale et al. | Synthesis of stoichiometric flowerlike ZnO nanorods with hundred per cent morphological yield | |
| Jeon et al. | Room temperature-processed inverted organic solar cells using high working-pressure-sputtered ZnO films | |
| CN108658121A (zh) | 一种实现氧化锌纳米线阵列梯度掺杂的方法 | |
| CN111647848A (zh) | 一种磁控溅射制备大面积CsPbBr3光电薄膜的方法和应用 | |
| CN102312201B (zh) | 一种Al掺杂的氧化锌透明导电薄膜的制备方法 | |
| CN102925866B (zh) | 一种单一相Mg2Si半导体薄膜的制备工艺 | |
| CN109082631B (zh) | 一种Ga2O3基透明导电薄膜及其制备方法 | |
| CN104818452B (zh) | 一种制备氮铝共掺杂p型氧化锌薄膜的方法 | |
| CN104716222B (zh) | 射频裂解硒蒸气制作铜铟镓硒薄膜的方法 | |
| KR20150051151A (ko) | Ｃｚｔｓ계 태양전지용 박막의 제조방법 | |
| CN116240496A (zh) | 一种基于合金纳米粒子调控局域表面等离子共振的方法 | |
| CN1054166C (zh) | 尺寸可控的纳米级银颗粒镶嵌在钛酸钡薄膜中的制备方法 | |
| Anh Dinh et al. | Parameters Affecting the Electrical and Optical Properties of p-Type Aluminum-Doped ZnO: A Review | |
| Kuan et al. | Growth process control produces high-crystallinity and complete-reaction perovskite solar cells | |
| CN113061837A (zh) | 一种高透明的p型碘化亚铜导电薄膜的制备方法 | |
| Mangla et al. | Zinc Oxide Nanostructures Fabricated under Extremely Non-Equilibrium Plasma Conditions | |
| CN101281884A (zh) | 一种可用于硅基光电集成器件的SiOx薄膜制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |