CN113135600A - 一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法 - Google Patents
一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113135600A CN113135600A CN202110233101.3A CN202110233101A CN113135600A CN 113135600 A CN113135600 A CN 113135600A CN 202110233101 A CN202110233101 A CN 202110233101A CN 113135600 A CN113135600 A CN 113135600A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- substrate
- organic solvent
- iron oxide
- oxide film
- precursor solution
- 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.)
- Granted
Links
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 129
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 69
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 36
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 27
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- PVFSDGKDKFSOTB-UHFFFAOYSA-K iron(3+);triacetate Chemical compound [Fe+3].CC([O-])=O.CC([O-])=O.CC([O-])=O PVFSDGKDKFSOTB-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims abstract description 19
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 claims abstract description 16
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 82
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 32
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 14
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 2-Aminoethan-1-ol Chemical compound NCCO HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- HXKKHQJGJAFBHI-UHFFFAOYSA-N 1-aminopropan-2-ol Chemical compound CC(O)CN HXKKHQJGJAFBHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 2-METHOXYETHANOL Chemical compound COCCO XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229940102253 isopropanolamine Drugs 0.000 claims description 11
- NDLPOXTZKUMGOV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoferriooxy)iron hydrate Chemical compound O.O=[Fe]O[Fe]=O NDLPOXTZKUMGOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 9
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 7
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 7
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 6
- PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N Ethylenediamine Chemical compound NCCN PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 4
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 claims description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 abstract description 15
- 238000013086 organic photovoltaic Methods 0.000 abstract description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 23
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 9
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 9
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 8
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 5
- VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N iron(3+);trinitrate Chemical compound [Fe+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N molybdenum trioxide Inorganic materials O=[Mo](=O)=O JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 2
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 239000012703 sol-gel precursor Substances 0.000 description 2
- 229910003145 α-Fe2O3 Inorganic materials 0.000 description 2
- JTPNRXUCIXHOKM-UHFFFAOYSA-N 1-chloronaphthalene Chemical compound C1=CC=C2C(Cl)=CC=CC2=C1 JTPNRXUCIXHOKM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 229960004887 ferric hydroxide Drugs 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- MVFCKEFYUDZOCX-UHFFFAOYSA-N iron(2+);dinitrate Chemical compound [Fe+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O MVFCKEFYUDZOCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RUTXIHLAWFEWGM-UHFFFAOYSA-H iron(3+) sulfate Chemical compound [Fe+3].[Fe+3].[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O RUTXIHLAWFEWGM-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- IEECXTSVVFWGSE-UHFFFAOYSA-M iron(3+);oxygen(2-);hydroxide Chemical compound [OH-].[O-2].[Fe+3] IEECXTSVVFWGSE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000360 iron(III) sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004898 kneading Methods 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910000476 molybdenum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- PQQKPALAQIIWST-UHFFFAOYSA-N oxomolybdenum Chemical compound [Mo]=O PQQKPALAQIIWST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- -1 photocatalysis Substances 0.000 description 1
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G49/00—Compounds of iron
- C01G49/02—Oxides; Hydroxides
- C01G49/06—Ferric oxide (Fe2O3)
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/40—Electric properties
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/60—Optical properties, e.g. expressed in CIELAB-values
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/90—Other properties not specified above
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K2102/00—Constructional details relating to the organic devices covered by this subclass
- H10K2102/10—Transparent electrodes, e.g. using graphene
- H10K2102/101—Transparent electrodes, e.g. using graphene comprising transparent conductive oxides [TCO]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
Abstract
一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，包括基底预处理、前驱液配制和薄膜沉积，是将醋酸铁溶解在以醇类有机溶剂和胺类有机溶剂形成的混合有机溶剂中，在5~10℃温度下以700~800rpm搅拌3~5h，然后保持温度不变，将搅拌速率降至400~500rpm持续搅拌2~7h后静置陈化2~6h得前驱液；再将前驱液涂覆在预处理后的基底上，然后将涂覆后的基底置于140~150℃下热处理25~40min。本发明制备出的非晶态氧化铁薄膜，薄膜具有较高的无序性，薄膜的均匀性好，致密性优异，粗糙度低至2.2nm，具有优异的透光性，光透过率高达91.2%，导电性优异，其方阻为13.2~14.1Ω，适用于有机光伏器件电子传输层的应用。
Description
技术领域
本发明涉及功能性薄膜制备技术领域，具体涉及一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法。
背景技术
氧化铁作为一种优异的n型半导体氧化物，其成本低廉，具有突出的光吸收和化学稳定性，在磁性材料、颜料、光催化、气敏、超级电容器、光电器件等领域有重要的应用。尤其在光电器件领域，氧化铁界面层可改善器件内部的能级结构和电荷的传输性能，进而增强有机/无机器件的光电转换效率。
目前，氧化铁材料（薄膜）的制备方式多样化,有水热法、煅烧法、电沉积法、真空蒸镀法、磁控溅射法、化学气相沉积和溶胶-凝胶法等。这些制备方法都有自身的优点和应用领域。如，可以用高温煅烧氢氧化铁的方式获得不同晶型的氧化铁、或与物质构筑成复合材料，并将其用在光催化领域；利用常压化学气相淀积工艺制备了α-Fe2O3薄膜气敏材料，用于检测烟雾中的有害气体；利用水热法制备纳米Fe2O3，以此为负极材料的一部分组装超级电容器；利用胶体前驱液旋涂制备氧化铁空穴阻挡层（电子传输层），提高钙钛矿电池的转换效率。从这些制备工艺上来看，氧化铁的制备大多依赖于设备和较高的加工温度。因而，制备成本也较高。
以硝酸铁为例(Nano Energy,2017(38),193-200)，将硝酸铁溶于乙醇中，旋涂于FTO表面上，再500℃退火1小时，获得α-Fe2O3，以此作为钙钛矿电池的电子传输层，获得不错的器件性能。但是首先硝酸铁可应用于易制爆物质，在大规模生产过程中可能面临安全问题，其次，α-Fe2O3的制备温度过高、退火时间较长，故耗能及成本也高，且不能应用于承受温度较低的柔性电子器件的基底上（很多柔性基底承受的最高温度不超过150℃）。其他，如氯化铁、硫酸铁为原料的工艺大多也涉及前面的高温制备问题。目前现有技术中制备的非晶态氧化铁薄膜存在如下问题：非晶态氧化铁薄膜由于未经高温退火处理，薄膜表面粗糙度较高，导致薄膜透光率较低，在应用到有机光伏器件中时，与其他膜层形成的界面不平整，非晶态的氧化铁薄膜容易发生电子-空穴对复合，导电性能较低，不适用在有机光伏器件中，这也是很少有报道将非晶态氧化铁应用于有机光伏器件领域的原因。为此，寻找一种成本低廉、工艺简单、能够使氧化铁适用于有机太阳能领域的工艺，将是推动其发展的一个新途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，该方法成本低廉、操作简单，制备的非晶态氧化铁薄膜粗糙度低、均匀性、致密性和导电性能优异。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，包括基底预处理、前驱液配制和薄膜沉积，其特征在于：所述前驱液制备是以醋酸铁为铁源，溶解在以醇类有机溶剂和胺类有机溶剂形成的混合有机溶剂中，在5~10℃温度下以700~800rpm搅拌3~5h，然后保持温度不变，将搅拌速率降至400~500rpm持续搅拌2~7h后静置陈化2~6h得前驱液；所述薄膜沉积是将制备的前驱液涂覆在预处理后的基底上，然后将涂覆后的基底置于140~150℃下热处理25~40min。
所述基底为柔性或刚性的导电基底，如ITO、FTO，或者涂覆了导电物质的PET、PEN、PMMA、PVC等。
薄膜的表面粗糙度、均匀性和致密性等受前驱液中胶粒大小和聚集程度的影响。
在制备过程中，将醋酸铁溶解在上述混合有机溶剂中制备前驱液，我们发现若前驱液中Fe3+浓度较高，沉积的薄膜表面粗糙度较高，光照时存在明显的光的漫反射、散射等现象，导致薄膜的透光性下降，同时，薄膜表面平整度下降，表面缺陷大，其导电性能也受到影响，但是Fe3+浓度较低，导致涂覆沉积形成的薄膜均匀性差，致密性较低，导致薄膜导电性差。溶胶-凝胶前驱液胶体颗粒形成过程中，胶体颗粒的大小与搅拌速率呈正相关，本发明在较低浓度的Fe3+环境下，通过高速剧烈搅拌，促进铁源在上述有机溶剂中的充分溶解，并在溶解过程中形成较大的溶胶胶体颗粒，然后在持续低温下降低搅拌速率，使得前驱液在搅拌过程中形成较小的胶体颗粒，并且较低的温度环境促进了不同尺寸的胶体颗粒更好的聚集，并长时间维持其良好的聚集状态，使得前驱液沉积成膜过程中，不同尺寸的胶体颗粒高度聚合、紧密排列，缩小了胶体颗粒之间的孔隙，降低了孔隙缺陷，从而降低了薄膜粗糙度，不采用高温退火也能形成均匀、致密的氧化铁薄膜。
本发明在制备氧化铁薄膜过程中，沉积温度的变化对于薄膜的性能影响非常明显，本发明中采用本发明配制的前驱液沉积薄膜过程中，由于氧化铁在醇和胺类有机溶剂形成中性或偏碱性环境中稳定性优异，在140~150℃范围内制备氧化铁薄膜时，生成的非晶态氧化铁稳定附着在基底表面，降低了原子的迁移率、再蒸发以及结晶，从而进一步提高了薄膜的致密度，且在该制备温度下，薄膜结构的无序性较大，存在的氧空位较多，使得可通过的载流子浓度大，电阻率低。
进一步，上述醇类有机溶剂可选用乙醇、丙醇、乙二醇或乙二醇甲醚等，上述胺类有机溶剂可选用乙二胺、乙醇胺或异丙醇胺等。
优选的，上述醇类有机溶剂为乙二醇甲醚，胺类有机溶剂为异丙醇胺。
进一步，上述醋酸铁、醇类有机溶剂和胺类有机溶剂的质量体积比0.1g：1~15mL：0.1~0.3mL。
优选的，上述醋酸铁、醇类有机溶剂和胺类有机溶剂的质量体积比为0.1g：5mL：0.25mL。
进一步，上述涂覆是采用旋涂，旋涂转速为2500~3000rpm，旋涂30s，涂覆厚度为20~30nm。
进一步，上述基底预处理是将基底置于去离子水中超声10min，用无尘布轻揉除污物，之后置于去离子水中超声10min，然后将基底依次置于丙酮、氯仿、异丙醇各超声10min，最后将基底置于烘箱中烘干备用。
最具体的，一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
（1）基底预处理：将基底置于去离子水中超声10min，用无尘布轻揉除污物，之后置于去离子水中超声10min，然后将基底依次置于丙酮、氯仿、异丙醇各超声10min，最后将基底置于烘箱中烘干备用；
（2）前驱液配制：以醋酸铁为铁源，溶解在以醇类有机溶剂和胺类有机溶剂形成的混合有机溶剂中，在5~10℃温度下以700~800rpm搅拌3~5h，然后保持温度不变，将搅拌速率降至400~500rpm持续搅拌2~7h后静置陈化2~6h，其中醋酸铁、醇类有机溶剂和胺类有机溶剂的质量体积比为0.1g：1~15mL：0.1~0.3mL，所述醇类有机溶剂可选用乙醇、丙醇、乙二醇或乙二醇甲醚，上述胺类有机溶剂可选用乙二胺、乙醇胺或异丙醇胺；
（3）沉积薄膜：
将步骤（2）配制的前驱液以旋涂的方式涂覆在预处理后的基底上，涂覆厚度为20~30nm，然后将涂覆了前驱液的基底置于140~150℃下热处理25~40min。
本发明具有如下技术效果：
本发明以低Fe3+浓度的前驱液，在较低温度下制备出非晶态氧化铁薄膜，不挑基底，薄膜与基底之间结合力优异，薄膜具有较高的无序性，薄膜的均匀性好，致密性优异，粗糙度低至2.2nm，具有优异的透光性，光透过率高达91.2%，导电性优异，其方阻为13.2~14.1Ω（基底方阻为12Ω），该非晶态氧化铁薄膜适合用作有机光伏器件的电子传输层，以本发明制备的非晶态氧化铁薄膜制备的有机光伏器件ITO/Fe2O3/PM6:Y6/MoO3/Ag具有优异的性能，其短路电流密度25.7mA/cm3，开路电压为0.82V，填充因子为0.63，光电转换效率为12.1%。
附图说明
图1：本发明制备的非晶态氧化铁薄膜的XRD衍射图。
图2：本发明制备的非晶态氧化铁薄膜的扫描电镜图。
图3：本发明制备的非晶态氧化铁薄膜的光学透过率曲线图。
图4：本发明制备的以非晶态氧化铁为界面层的有机光伏器件的J-V曲线图。
图5：对比例2制备的非晶态氧化铁为界面层的有机光伏器件的J-V曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，按如下步骤进行：
（1）基底预处理：将1.5 cm×1.5 cm的ITO基底置于去离子水中超声10min，用无尘布轻揉除污物，之后置于去离子水中超声10min，然后将基底依次置于丙酮、氯仿、异丙醇各超声10min，最后将基底置于烘箱中烘干备用；
（2）前驱液配制：以醋酸铁为铁源，溶解在以乙二醇甲醚和异丙醇胺形成的混合有机溶剂中，在6℃温度下以750rpm搅拌4h，然后保持温度不变，将搅拌速率降至450rpm持续搅拌2.5h后静置陈化4h，其中醋酸铁、乙二醇甲醚和异丙醇胺的质量体积比为0.1g：5mL：0.25mL；
（3）沉积薄膜：
取步骤（2）配制的前驱液75μL，以转速2600 rpm旋涂30s，涂覆在预处理后的ITO基底上，涂覆厚度为24nm，然后将涂覆了前驱液的ITO基底置于145℃下热处理30min。
根据图1的XRD衍射图可以看出，图中没有发现晶体结构的衍射峰出现，可以明确本发明制备的薄膜属于非晶态结构的氧化铁薄膜。由图2可知，本发明中制备的非晶态氧化铁薄膜致密性、均匀性优异、孔隙缺陷小，通过原子力显微镜测得其表面粗糙度为2.2nm。
分别以裸ITO基底和采用本发明方法涂覆有氧化铁薄膜的ITO基底为检测对象，进行光透过率和导电性能检测：
（1）光透过率检测：
采用紫外-可见-近红外吸收光谱仪检测薄膜的光透过率，测得ITO基底的透过率在400～900 nm区间为87.8%～91.9%，516nm处的最大透过率为91.9%；而本发明制备的涂覆有氧化铁薄膜的基底ITO在400～900 nm区间的透过率为77%～91.2%，516 nm处的最大透过率为91.2%，具体参见附图3。可见，采用本发明方法所制备得到的氧化铁薄膜光透过率高。
（2）导电性能检测：
采用四探针测试仪测得，基底ITO的方阻约为12Ω；采用本发明方法在基底ITO上涂覆有氧化铁薄膜的产物的方阻约在13.2Ω。可以看出本发明制备的非晶态氧化铁薄膜具有优异的导电性能。
实施例2
非晶态氧化铁薄膜作为电子传输层制备有机光伏器件：
用含质量百分比为0.5%氯萘的氯仿溶剂溶解质量比为1:1.2的PM6和Y6形成混合液，二者总浓度为16 mg/mL，将实施例3中制备得到的涂覆有氧化铁薄膜的ITO基底，转入手套箱中，以3000rpm速率旋涂PM6和Y6形成的混合液30s，获得活性层，之后在PM6:Y6层上蒸镀厚度为8nm的氧化钼层和80nm的银电极层，得到ITO/Fe2O3/PM6:Y6/MoO3/Ag结构器件。
对比例1
按照实施例2的方法制备了以氧化锌薄膜为电子传输层的有机光伏器件ITO/ZnO/PM6:Y6/MoO3/Ag。
按照实施例2的方法制备了导电基底和活性层之间没有电子传输层的ITO/PM6:Y6/MoO3/Ag器件，作为空白组。
经过检测，其J-V曲线如图4所示，无电子传输层的ITO/PM6:Y6/MoO3/Ag器件的短路电流为20.8 mA/cm2，开路电压为0.47 V，填充因子为0.32，效率为3.12%，以氧化锌薄膜为电子传输层的ITO/ZnO/PM6:Y6/MoO3/Ag器件的短路电流为23.8 mA/cm2，开路电压为0.82V，填充因子为0.63，效率为12.3%，本发明实施例2制备的以非晶态氧化铁为空穴传输层的ITO/Fe2O3/PM6:Y6/MoO3/Ag器件的短路电流为25.7 mA/cm2，开路电压为0.82 V，填充因子为0.57，效率为12.1%，测试结果如图4所示。可见，采用本发明方法所制备得到的非晶态氧化铁薄膜作为电子传输层的器件中的短路电流密度最大，器件的综合性能与氧化锌器件性能相当。可见，采用本发明方法所制备得到的氧化铁界面确实可以作为电子传输层提高有机光伏器件的性能。
对比例2
本对比例中配制前驱液是采用醋酸铁为铁源，溶解在以乙二醇甲醚和异丙醇胺形成的混合有机溶剂中，在20℃（常温）温度下以600rpm搅拌8h，然后静置陈化4h，其中醋酸铁、乙二醇甲醚和异丙醇胺的质量体积比为1g：10mL：0.25mL；其余步骤与实施例1相同，制备出非晶态氧化铁薄膜。将该薄膜按照实施例2的方法制成相应的ITO/Fe2O3/PM6:Y6/MoO3/Ag器件。
对比例2在常温下配制较高浓度的前驱液，制备的非晶态氧化铁薄膜均匀性较差，致密性相对较差，表面粗糙度高达12.2nm。其光透过率较低，在516nm处的最大透过率为81.2%，方阻为18.4Ω。
采用相同的方法对对比例2制备的器件进行性能测试，其J-V曲线如图5所示：该器件短路电流为22.59 mA/cm2，开路电压为0.647 V，填充因子为0.441，效率为6.44%。
根据以上内容可以看出，本发明方法的氧化铁薄膜电子传输层的形貌结构良好,薄膜均匀性、致密性高，表面粗糙度低，可增强电荷在活性层与氧化铁之间的转移，抑制了电子-空穴在界面处的复合；同时，以及电子从氧化铁界面至电极ITO间的传输也十分良好，所得短路电流密度最大；此外，采用该方法制得的透明的氧化铁界面层几乎不会影响活性层对光的吸收。
实施例3
一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，按如下步骤进行：
（1）基底预处理：将1.5 cm×1.5 cm的ITO基底置于去离子水中超声10min，用无尘布轻揉除污物，之后置于去离子水中超声10min，然后将基底依次置于丙酮、氯仿、异丙醇各超声10min，最后将基底置于烘箱中烘干备用；
（2）前驱液配制：以醋酸铁为铁源，溶解在以乙二醇甲醚和乙醇胺形成的混合有机溶剂中，在10℃温度下以700rpm搅拌5h，然后保持温度不变，将搅拌速率降至400rpm持续搅拌7h后静置陈化2h，其中醋酸铁、乙二醇甲醚和乙醇胺的质量体积比为0.1g：1mL：0.1mL；
（3）制备薄膜：
将步骤（2）配制的前驱液60μL，以转速2500 rpm旋涂30s，涂覆在预处理后的ITO基底上，涂覆厚度为20nm，然后将涂覆了前驱液的ITO基底置于140℃下热处理40min。
本实施例制备的非晶态氧化铁薄膜的致密性、均匀性优异，通过原子力显微镜测得其表面粗糙度为2.5nm；采用四探针测试仪测得本实施例制备的非晶态养护贴薄膜的方阻约在14.1Ω。可以看出本发明制备的非晶态氧化铁薄膜具有优异的导电性能。
实施例4
一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，按如下步骤进行：
（1）基底预处理：将1.5 cm×1.5 cm的FTO基底置于去离子水中超声10min，用无尘布轻揉除污物，之后置于去离子水中超声10min，然后将基底依次置于丙酮、氯仿、异丙醇各超声10min，最后将基底置于烘箱中烘干备用；
（2）前驱液配制：以醋酸铁为铁源，溶解在丙醇和异丙醇胺形成的混合有机溶剂中，在5℃温度下以800rpm搅拌3h，然后保持温度不变，将搅拌速率降至500rpm持续搅拌2h后静置陈化6h，其中醋酸铁、丙醇和异丙醇胺的质量体积比为0.1g：15mL：0.3mL；
（3）制备薄膜：
取步骤（2）配制的前驱液80μL，以转速3000 rpm旋涂30s，涂覆在预处理后的FTO基底上，涂覆厚度为30nm，然后将涂覆了前驱液的FTO基底置于150℃下热处理25min。
本实施例制备的非晶态氧化铁薄膜的致密性、均匀性优异，通过原子力显微镜测得其表面粗糙度为2.3nm；采用四探针测试仪测得本实施例制备的非晶态养护贴薄膜的方阻约在13.7Ω。可以看出本发明制备的非晶态氧化铁薄膜具有优异的导电性能。
Claims (6)
1.一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，包括基底预处理、前驱液配制和薄膜沉积，其特征在于：所述前驱液制备是以醋酸铁为铁源，溶解在以醇类有机溶剂和胺类有机溶剂形成的混合有机溶剂中，在5~10℃温度下以700~800rpm搅拌3~5h，然后保持温度不变，将搅拌速率降至400~500rpm持续搅拌2~7h后静置陈化2~6h得前驱液；所述薄膜沉积是将制备的前驱液涂覆在预处理后的基底上，然后将涂覆后的基底置于140~150℃下热处理25~40min。
2.如权利要求1所述的一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于：所述醇类有机溶剂可选用乙醇、丙醇、乙二醇或乙二醇甲醚等，所述胺类有机溶剂可选用乙二胺、乙醇胺或异丙醇胺等。
3.如权利要求1或2所述的一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于：所述醋酸铁、醇类有机溶剂和胺类有机溶剂的质量体积比0.1g：1~15mL：0.1~0.3mL。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于：所述涂覆是采用旋涂，旋涂转速为3000rpm，旋涂30s，涂覆厚度为20~30nm。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于：所述基底预处理是将基底置于去离子水中超声10min，用无尘布轻揉除污物，之后置于去离子水中超声10min，然后将基底依次置于丙酮、氯仿、异丙醇各超声10min，最后将基底置于烘箱中烘干备用。
6.一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
（1）基底预处理：将基底置于去离子水中超声10min，用无尘布轻揉除污物，之后置于去离子水中超声10min，然后将基底依次置于丙酮、氯仿、异丙醇各超声10min，最后将基底置于烘箱中烘干备用；
（2）前驱液配制：以醋酸铁为铁源，溶解在以醇类有机溶剂和胺类有机溶剂形成的混合有机溶剂中，在5~10℃温度下以700~800rpm搅拌3~5h，然后保持温度不变，将搅拌速率降至400~500rpm持续搅拌2~7h后静置陈化2~6h，其中醋酸铁、醇类有机溶剂和胺类有机溶剂的质量体积比为0.1g：1~15mL：0.1~0.3mL，所述醇类有机溶剂可选用乙醇、丙醇、乙二醇或乙二醇甲醚，上述胺类有机溶剂可选用乙二胺、乙醇胺或异丙醇胺；
（3）沉积薄膜：
将步骤（2）配制的前驱液以旋涂的方式涂覆在预处理后的基底上，涂覆厚度为20~30nm，然后将涂覆了前驱液的基底置于140~150℃下热处理25~40min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110233101.3A CN113135600B (zh) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | 一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110233101.3A CN113135600B (zh) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | 一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113135600A true CN113135600A (zh) | 2021-07-20 |
| CN113135600B CN113135600B (zh) | 2022-05-13 |
Family
ID=76810861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110233101.3A Active CN113135600B (zh) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | 一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113135600B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04357888A (ja) * | 1991-06-04 | 1992-12-10 | Ube Ind Ltd | 焦電型赤外線検出素子 |
| CN101234751A (zh) * | 2008-03-05 | 2008-08-06 | 中国科学院化学研究所 | 火焰燃烧制备纳米材料的方法 |
| CN103077881A (zh) * | 2012-12-29 | 2013-05-01 | 北京理工大学 | 一种非外延生长半导体的方法 |
| US20150194531A1 (en) * | 2012-09-18 | 2015-07-09 | Lg Chem, Ltd. | Transparent conducting film and preparation method thereof |
| CN104966784A (zh) * | 2015-06-09 | 2015-10-07 | 西北大学 | BiFeO3/CH3NH3PbI3异质结构铁电光伏薄膜及其制备方法 |
| CN105244442A (zh) * | 2015-11-15 | 2016-01-13 | 河北工业大学 | 一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池的制备方法 |
-
2021
- 2021-03-03 CN CN202110233101.3A patent/CN113135600B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04357888A (ja) * | 1991-06-04 | 1992-12-10 | Ube Ind Ltd | 焦電型赤外線検出素子 |
| CN101234751A (zh) * | 2008-03-05 | 2008-08-06 | 中国科学院化学研究所 | 火焰燃烧制备纳米材料的方法 |
| US20150194531A1 (en) * | 2012-09-18 | 2015-07-09 | Lg Chem, Ltd. | Transparent conducting film and preparation method thereof |
| CN103077881A (zh) * | 2012-12-29 | 2013-05-01 | 北京理工大学 | 一种非外延生长半导体的方法 |
| CN104966784A (zh) * | 2015-06-09 | 2015-10-07 | 西北大学 | BiFeO3/CH3NH3PbI3异质结构铁电光伏薄膜及其制备方法 |
| CN105244442A (zh) * | 2015-11-15 | 2016-01-13 | 河北工业大学 | 一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池的制备方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| DONG YINMAO等: "The impact of solvent and modifier on ZnO thin-film transistors fabricated by sol-gel process", 《SCI CHINA TECH SCI》 * |
| HAOSHUANG GU等: "The low-temperature synthesis of BiFeO3–SrBi2Nb2O9 complexes by sol-gel process", 《MATERIALS LETTERS》 * |
| MARTIN WEIS等: "Control of Single-Electron Charging of Metallic Nanoparticles onto Amorphous Silicon Surface", 《OURNAL OF NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY》 * |
| 姚赟等: "氧化铁薄膜的制备及其对乙醇气体敏感特性的研究", 《化学传感器》 * |
| 张为灿等: "晶态和非晶态氧化铁薄膜电极电化学和光电化学特性的比较", 《济南大学学报(综合版)》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113135600B (zh) | 2022-05-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jin et al. | Long-term stable silver nanowire transparent composite as bottom electrode for perovskite solar cells | |
| CN104282847B (zh) | 一种可扰式钙钛矿型有机卤化物薄膜太阳能电池光阳极制备方法 | |
| CN108511633A (zh) | 一种无机钙钛矿发光二极管及其制备方法 | |
| Yang et al. | An annealing-free aqueous-processed anatase TiO 2 compact layer for efficient planar heterojunction perovskite solar cells | |
| CN108417722A (zh) | 一种基于离子液添加剂的钙钛矿太阳电池的制备方法 | |
| Mustafa et al. | Annealing effects on the properties of chemically deposited CdS thin films at ambient condition | |
| CN116546867A (zh) | 柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法 | |
| CN115020596A (zh) | 一种双层电子传输层及其钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用 | |
| CN107170894B (zh) | 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 | |
| CN106450007A (zh) | 一种基于碘化亚铜/钙钛矿体异质结的太阳能电池及制备方法 | |
| Hu et al. | Interfacing pristine BiI3 onto TiO2 for efficient and stable planar perovskite solar cells | |
| CN113135600B (zh) | 一种非晶态氧化铁薄膜的制备方法 | |
| Cheng et al. | Substrate temperature effect on charge transport performance of ZnO electron transport layer prepared by a facile ultrasonic spray pyrolysis in polymer solar cells | |
| Bandara et al. | Transparent and conductive F-Doped SnO 2 nanostructured thin films by sequential nebulizer spray pyrolysis | |
| JP2011159729A (ja) | 導電性酸化亜鉛積層膜の製造方法、光電変換素子の製造方法 | |
| Alishah et al. | Investigation of various commercial PEDOT: PSS (poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate) as a hole transport layer in lead iodide-based inverted planar perovskite solar cells | |
| Jia et al. | Polyhydroxy compound modifying SnO2 for high-performance and stable perovskite solar cells | |
| KR20170114093A (ko) | BaSnO3 박막 및 이의 저온 제조 방법 | |
| CN116056469A (zh) | 基于离子液体界面修饰的钙钛矿太阳能电池 | |
| JP2011159730A (ja) | 導電性酸化亜鉛積層膜及びこれを備えた光電変換素子 | |
| CN113140681B (zh) | 一种含氧化铁界面层的有机光伏器件及其制备方法 | |
| Huang et al. | Characterization of LPD-TiO2 compact layer in ZnO nano-rods photoelectrode for dye-sensitized solar cell | |
| Xu et al. | Correlating annealing temperature of ZnO nanoparticle electron transport layer with performance of inverted polymer solar cells | |
| Liu et al. | Strategies for growing perovskite films on nanostructured tio 2 for high performance solar cell | |
| CN116825861A (zh) | 电子传输层、电子传输材料的制备方法和应用 |
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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240312 Address after: 230000 floor 1, building 2, phase I, e-commerce Park, Jinggang Road, Shushan Economic Development Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee after: Dragon totem Technology (Hefei) Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 402160 Shuangzhu Town, Yongchuan District, Chongqing Patentee before: CHONGQING University OF ARTS AND SCIENCES Country or region before: China |
|
| TR01 | Transfer of patent right |