CN115843204A - 一种苯丁酸氮芥双重应用提升钙钛矿薄膜质量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种苯丁酸氮芥双重应用提升钙钛矿薄膜质量的方法，具体操作方法为：在PTAA薄膜表面旋涂含CBL的DMF溶液，得到PTAA/CBL(DMF)薄膜，另外将CBL掺杂进钙钛矿前驱体溶液中，在PTAA/CBL(DMF)表面沉积CBL掺杂后的钙钛矿前驱体溶液，退火后得到双界面钝化后的钙钛矿薄膜。本发明同时减少了钙钛矿薄膜上、下表面的缺陷位点，有效降低了载流子非辐射复合率，最终提升了钙钛矿薄膜性能。

Description

一种苯丁酸氮芥双重应用提升钙钛矿薄膜质量的方法
技术领域
本发明属于钙钛矿薄膜技术领域，具体涉及一种苯丁酸氮芥双重应用提升钙钛矿薄膜质量的方法。
背景技术
钙钛矿材料作为吸光层具有吸光系数高，激子结合能低及载流子寿命长等优点，其被广泛用于钙钛矿太阳能电池的吸光层。相比于其他薄膜太阳能电池，钙钛矿太阳能电池最具有取代传统硅电池的潜力。当前，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已突破25%，距离其理论效率值33%仍具有一定差距。相关研究显示，由于钙钛矿材料的离子特性，溶液法制备的钙钛矿薄膜在块体的上、下表面会存在大量的缺陷位点，而缺陷位点的产生会影响载流子的有效传导，从而影响薄膜质量及电池性能。鉴于此，如M. Vasilopoulou, A.Fakharuddin, A. G. Coutsolelos, et al. Molecular materials as interfaciallayers and additives in perovskite solar cells [J]. Chemical Society Reviews,2020, 49(13): 4496-4526中所述，钙钛矿的掺杂策略是优化薄膜性能及电池性能的有效手段之一。
发明内容
为了有效减少钙钛矿薄膜表面的缺陷，本发明的目的在于提供一种苯丁酸氮芥双重应用提升钙钛矿薄膜质量的方法。
将CBL的DMF溶液旋涂在PTAA表面，随后，在PTAA/CBL(DMF)表面沉积CBL掺杂后的钙钛矿前驱体溶液，通过CBL中的羧基官能团与缺陷位点的结合，实现钙钛矿薄膜上、下表面缺陷态的降低，从而优化钙钛矿薄膜性能。
具体技术方案如下：
一种苯丁酸氮芥双重应用提升钙钛矿薄膜质量的方法，具体操作方式如下：
S1 称取适量的苯丁酸氮芥（CBL），使用DMF作为溶剂，得到浓度为0.1-0.5 mg/ml的CBL/DMF溶液，随后将CBL/DMF溶液旋涂到PTAA薄膜基底表面，得到PTAA/CBL(DMF)基底。
S2称取适量的PbI2、PbBr2、CsI、FAI，配制钙钛矿前驱体溶液，所述钙钛矿前驱体溶液为FA1-xCsxPbIyBr3-y (0≤x≤1, 0≤y≤3)，60℃条件下搅拌2小时后，放至室温，获得钙钛矿前驱体溶液。
S3取适量的CBL，将其加入通过S2制备得到的钙钛矿前驱体溶液中，浓度为3.0mg/ml，60-80℃加热10-15分钟，放至常温备用。
S4通过旋涂、热蒸发、狭缝涂布、喷墨打印方式中的一种，将S3所得掺杂后的钙钛矿前驱体溶液沉积在S1所得的PTAA/CBL(DMF)基底表面，随后100℃-150℃，退火10-15分钟，获得高质量的钙钛矿薄膜，钙钛矿薄膜材料的结构为ABX3型，A位为甲眯离子、铯离子中的一种或多种混合，B位为铅离子，X位为氯离子、溴离子、碘离子中的一种或多种混合。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明有效降低了钙钛矿薄膜上、下表面的缺陷态，显著增强了钙钛矿薄膜的质量。
附图说明
图1为CBL(DMF)处理及未处理的钙钛矿薄膜下表面晶粒SEM图。
图2为CBL(DMF)处理及未处理的钙钛矿薄膜紫外吸收图。
图3为CBL掺杂处理及未处理的钙钛矿薄膜上表面晶粒SEM图。
图4为CBL掺杂处理及未处理的钙钛矿薄膜的XRD图。
图5为CBL掺杂处理及未处理的钙钛矿薄膜的XPS图。
图6为CBL掺杂处理及未处理的钙钛矿薄膜的PL图。
图7为CBL掺杂处理、CBL(DMF)下面表处理及上、下表面共同处理后的钙钛矿薄膜PL图。
具体实施方式
以下通过实施例加以具体说明本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
CBL(DMF)处理后钙钛矿下表面后提升钙钛矿薄膜质量
S1使用去离子水、丙酮、乙醇和异丙醇依次超声清洗ITO，每次超声清洗时间为10分钟，随后，将干燥后的ITO用等离子设备处理6分钟后取出备用，将PTAA溶液旋涂在ITO表面，工艺为600rpm，30s，随后，将PTAA覆盖的ITO放置在100℃条件下加热10分钟后，放至室温备用。
S2称取PbI2 (426.4 mg), CsI (52 mg), PbBr2 (27.5 mg) 和 FAI (137.6 mg)，使用体积比为3:1的DMF和DMSO混合溶液作为溶剂，60℃条件下加热2小时后放至常温，制备得到钙钛矿前驱体溶液，其为FA0.2Cs0.8Pb(I0.95Br0.05)3。
S3使用DMF作为溶剂，配制0.3 mg/ml的CBL/DMF溶液，取50ul的0.3 mg/ml CBL/DMF溶液旋涂在PTAA薄膜表面，得到PTAA/CBL(DMF)基底备用。
S4取70ul钙钛矿前驱体溶液旋涂在S3所得PTAA/CBL(DMF)薄膜表面，旋涂工艺为600rpm，10s，随后，300rpm，30s，将薄膜放置100℃条件下加热10分钟后放置室温，得到CBL修饰钙钛矿下表面的钙钛矿（PVK）薄膜。
同时，以未使用CBL/DMF溶液处理的PTAA基底作为对比，使用相同的工艺获得作为参照组的钙钛矿薄膜。通过将PTAA/CBL(DMF)/PVK和PTAA/PVK薄膜进行处理后，将PVK薄膜分别从PTAA/CBL(DMF)和PTAA表面撕下，且利用扫面电子显微镜表征测试得到了PVK下表面的形貌，如图1所示，与参照组相比，使用CBL(DMF)处理后的钙钛矿薄膜下表面存在的白色亮点显著减少，结合文献X. Yang, D. Luo, Y. Xiang, et al, Buried Interfaces inHalide Perovskite Photovoltaics [J]. Advanced Materials. 2021, 33, 2006435可知，白色亮点为PbI2 ，因为CBL(DMF)处理后的PVK下面缺陷较参照显著降低。如图2所示，PTAA/CBL(DMF)/PVK薄膜具有更强的紫外吸收，表明CBL可以显著增强钙钛矿薄膜质量。
实施例2
CBL掺杂钙钛矿前驱体后提升钙钛矿薄膜上表面质量
S1称取PbI2 (426.4 mg), CsI (52 mg), PbBr2 (27.5 mg) 和 FAI (137.6 mg)，使用体积比为3:1的DMF和DMSO混合溶液作为溶剂，60℃条件下加热2小时后放至常温，制备钙钛矿前驱体溶液，其为FA0.2Cs0.8Pb(I0.95Br0.05)3，取CBL（3 mg）加入到1ml的钙钛矿前驱体溶液中，随后，60℃加热10分钟后放至室温备用。
S2使用去离子水、丙酮、乙醇和异丙醇依次超声清洗ITO，每次清洗时间为10分钟，随后，将干燥后的ITO用等离子体设备处理6分钟后拿出备用。
S3将PTAA溶液旋涂在S2所得ITO表面，工艺为600rpm，30s，随后，将PTAA覆盖的ITO放置在100℃条件下加热10分钟后，放至室温备用。
S4将S1所得CBL掺杂后的钙钛矿前驱体溶液旋涂在S3所得PTAA薄膜表面，旋涂工艺为600rpm，10s，随后，300rpm，30s，将薄膜放置100℃条件下加热10分钟后放置室温，得到CBL掺杂后的钙钛矿薄膜。
以同样的工艺处理得到CBL未掺杂的钙钛矿薄膜，通过扫描电子显微镜测试表明，如图3所示，掺杂后的PVK薄膜晶粒尺寸得到提升，表明晶界减少，缺陷态降低，同时，如图4所示，XRD结果表明CBL掺杂后的薄膜质量得到明显增强，且没有新的信号峰出现，表明CBL没有参与钙钛矿结晶过程。如图5所示，XPS信号的偏移表明掺杂剂中的羧基官能团和钙钛矿薄膜中缺陷位点的铅离子结合；此外，如图6所示，CBL掺杂处理后的钙钛矿薄膜具有更高的PL强度，表明非辐射复合率被减少，有效增强了载流子的传输。
实施例3
CBL(DMF)下表面处理及CBL掺杂后共同提升钙钛矿薄膜表面质量
S1使用去离子水、丙酮、乙醇和异丙醇依次超声清洗ITO，每次清洗时间为10分钟，随后，将干燥后的ITO用等离子体设备处理6分钟后拿出备用，将PTAA溶液旋涂在ITO表面，工艺为600rpm，30s，随后，将PTAA覆盖的ITO放置在100℃条件下加热10分钟后，放至室温备用。
S2称取PbI2 (426.4 mg), CsI (52 mg), PbBr2 (27.5 mg) 和 FAI (137.6 mg)，使用体积比为3:1的DMF和DMSO混合溶液作为溶剂，60℃条件下加热2小时后放至常温，制备钙钛矿前驱体溶液，其为FA0.2Cs0.8Pb(I0.95Br0.05)3，取CBL（3 mg）加入到1ml的钙钛矿前驱体溶液中，随后，60℃加热10分钟后放置室温备用。
S3使用DMF作为溶剂，配置0.3 mg/ml的CBL/DMF溶液，取50ul的0.3 mg/ml CBL/DMF溶液旋涂在PTAA薄膜表面，得到PTAA/CBL(DMF)基底备用。
S4将S2所得CBL掺杂后的钙钛矿前驱体溶液沉积在S3所得PTAA/CBL(DMF)基底表面，旋涂工艺为600rpm，10s，随后，300rpm，30s。将薄膜放置100℃条件下加热10分钟后放置室温，得到上、下表面均被CBL处理后的钙钛矿薄膜。通过PL测试结果表明，相比于实施例1和2的结果，如图7所示，CBL同时处理钙钛矿上、下表面时，具有更低的PL强度，表明该策略更有效的降低钙钛矿的缺陷态，更有助于载流子的有效传输。

Claims (7)

1.一种苯丁酸氮芥双重应用提升钙钛矿薄膜质量的方法，其特征在于具体操作方法为：在PTAA薄膜表面旋涂含CBL的DMF溶液，得到PTAA/CBL(DMF)薄膜，另外将CBL掺杂进钙钛矿前驱体溶液中，在PTAA/CBL(DMF)表面沉积CBL掺杂后的钙钛矿前驱体溶液，退火后得到双界面钝化后的钙钛矿薄膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于CBL溶解在DMF溶剂中，浓度为0.1-0.5 mg/ml。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于CBL掺杂进钙钛矿前驱体溶液中的浓度为3.0mg/ml。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于钙钛矿前驱体溶液为FA1-xCsxPbIyBr3-y (0≤x≤1, 0≤y≤3)，制备过程为称取PbI2、CsI、PbBr2和 FAI中的几种，使用体积比为3:1的DMF和DMSO混合溶液作为溶剂进行制备。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于钙钛矿薄膜材料的结构为ABX3型，A位为甲眯离子、铯离子中的一种或多种混合，B位为铅离子，X位为氯离子、溴离子、碘离子中的一种或多种混合。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于CBL掺杂进钙钛矿前驱体溶液后60-80℃加热10-15分钟后放至室温备用。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于退火温度为100℃-150℃，时间为10-15分钟。
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