一種有機(jī)鈣鈦礦薄膜制備裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜制備裝置及方法，更具體地說，涉及一種有機(jī)鈣鈦礦薄膜制備裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]有機(jī)鈣鈦礦薄膜太陽電池由于其高效、制備簡單等優(yōu)點成為研究重點，并且逐步朝實用化發(fā)展。而有機(jī)鈣鈦礦薄膜(CH3NH3PbI3)作為該類太陽電池的光吸收層，其薄膜質(zhì)量的好壞影響整個電池的性能。但是該類型有機(jī)太陽電池在研制中還存在許多問題，比如薄膜結(jié)晶質(zhì)量，表面平整性，薄膜化學(xué)穩(wěn)定性，以及提高光電轉(zhuǎn)換效率等。目前提高有機(jī)鈣鈦礦薄膜的主要方法是在薄膜制備過程中添加有機(jī)化學(xué)修飾劑，比如在有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液中加入助膜劑，如甲基氯化錢(CH3NH3C1)、聚二乙醇(Poly ethylene glycol)等。這種方法雖然能夠有效的提高有機(jī)鈣鈦礦薄膜質(zhì)量，提高薄膜覆蓋率，進(jìn)而提高太陽電池效率。但是采用添加化學(xué)修飾劑的方法會增加成本，同時方法單一，對太陽電池效率提升效果有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)合理，提升質(zhì)量的有機(jī)鈣鈦礦薄膜制備裝置及方法。
[0004]這種有機(jī)鈣鈦礦薄膜制備裝置，包括加熱平臺、靜電電極和靜電發(fā)生器；所述靜電電極包括上電極和下電極，且為金屬平板，平行放置，上電極與下電極保持絕緣；當(dāng)在上電極和下電極之間施加電壓，在其中間形成均勻靜電場；所述靜電發(fā)生裝置與上電極和下電極連接，為其提供電壓。
[0005]作為優(yōu)選:所述下電極緊貼加熱平臺表面，樣品放置在下電極表面，加熱平臺控制加熱溫度，靜電發(fā)生器與上電極與下電極間距共同調(diào)節(jié)靜電場強(qiáng)度。
[0006]這種有機(jī)鈣鈦礦薄膜制備裝置的方法，包括如下步驟:
[0007]1)有機(jī)鈣鈦礦薄膜的制備:
[0008]有機(jī)鈣鈦礦薄膜采用旋涂方法，將有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液旋涂在襯底表面；
[0009]首先將襯底加熱至60?80°C，然后迅速轉(zhuǎn)移至旋涂儀；
[0010]旋涂轉(zhuǎn)速為1500?2000rpm，旋涂時間為15?25s ；
[0011]將表面旋涂有有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液的襯底迅速轉(zhuǎn)移至加熱平臺，進(jìn)行退火固化結(jié)晶;
[0012]2)利用外電場調(diào)控在有機(jī)鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程:
[0013]將旋涂有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液的襯底放置到外電場裝置中進(jìn)行退火固化處理；
[0014]外電場施加裝置具有加熱襯底與在垂直薄膜表面方向施加靜電場的功能；
[0015]控制襯底加熱溫度70?100°C，調(diào)節(jié)襯底表面靜電場強(qiáng)度0?5000V/cm，加熱時間控制在15?45分鐘；
[0016]加熱完畢后，將襯底取出，自然冷卻至室溫，即得到有機(jī)鈣鈦礦薄膜。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018]1)制備過程簡單，所需設(shè)備易操作、結(jié)構(gòu)簡單，制備出的有機(jī)鈣鈦礦薄膜結(jié)晶質(zhì)量高，表面平整。
[0019]2)在薄膜固化結(jié)晶階段，施加靜電場，與現(xiàn)有薄膜制備技術(shù)兼容，技術(shù)推廣容易，無需大規(guī)模改變現(xiàn)有薄膜制備技術(shù)。因此，該薄膜制備技術(shù)在有機(jī)太陽電池制備領(lǐng)域具有潛在推廣價值。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明涉及的靜電場與加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明具體實施例中不同靜電場強(qiáng)度制備薄膜的熒光光譜數(shù)據(jù)；
[0022]圖3是本發(fā)明具體實施例中薄膜熒光強(qiáng)度與施加靜電場強(qiáng)度之間的關(guān)系；
[0023]附圖標(biāo)記說明:加熱平臺1、上電極21、下電極22、靜電發(fā)生器3。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。雖然本發(fā)明將結(jié)合較佳實施例進(jìn)行描述，但應(yīng)知道，并不表示本發(fā)明限制在所述實施例中。相反，本發(fā)明將涵蓋可包含在有附后權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的替換物、改進(jìn)型和等同物。
[0025]本發(fā)明的制備方法如下:
[0026]1)有機(jī)鈣鈦礦薄膜的制備:
[0027]有機(jī)鈣鈦礦薄膜采用旋涂方法，將有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液旋涂在襯底表面。首先將襯底加熱至60?80°C，然后迅速轉(zhuǎn)移至旋涂儀。旋涂轉(zhuǎn)速為1500?2000rpm，旋涂時間為15?25s。將表面旋涂有有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液的襯底迅速轉(zhuǎn)移至加熱平臺，進(jìn)行下一步退火固化結(jié)晶。
[0028]2)利用外加靜電場調(diào)控在有機(jī)鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程:
[0029]將旋涂有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液的襯底放置到外電場裝置中進(jìn)行退火固化處理。外電場施加裝置具有加熱襯底與在垂直薄膜表面方向施加靜電場的功能?？刂埔r底加熱溫度70?100°C，調(diào)節(jié)襯底表面靜電場強(qiáng)度0?5000V/cm，加熱時間控制在15?45分鐘。加熱完畢后，將襯底取出，自然冷卻至室溫，即得到有機(jī)鈣鈦礦薄膜。
[0030]本發(fā)明中涉及靜電裝置的作用是在襯底表面施加靜電電場，包括加熱平臺1，靜電電極，以及靜電發(fā)生器3。所述靜電電極包括上電極21和下電極22。靜電發(fā)生器3與上電極21和下電極22連接，在上電極21和下電極22之間形成均勻靜電電場。
[0031]上電極21與下電極22保持絕緣，其間距可以調(diào)節(jié)，并在兩電極之間形成均勻靜電場。
[0032]下電極22緊貼加熱平臺1，也可直接將加熱平臺1表面作為下電極22。將樣品放置在下電極22表面，進(jìn)行加熱處理與施加靜電場。
[0033]實施例1:
[0034]取3ml N, N_ 二甲基甲酰胺(DMF)溶液，加0.463gPbCl2，加熱至70°C，在氮氣氛圍下攪拌2小時。加入1.426g甲基碘化胺(CH3NH3I)，繼續(xù)攪拌24小時，最終形成以DMF為基底的013順丨1313前驅(qū)液。
[0035]將FT0襯底在四氯化碳、丙酮、酒精、去離子水中各超聲清洗10分鐘，用氮氣吹干，然后在烘箱中烘干。在旋涂前驅(qū)液之前，現(xiàn)將FT0襯底在60°C加熱5分鐘，然后轉(zhuǎn)移至旋涂儀中。采用旋涂法制備有機(jī)鈣鈦礦薄膜，旋涂速度2000rpm，旋涂時間20s。旋涂結(jié)束后，在襯底表面形成一層未固化結(jié)晶的有機(jī)鈣鈦礦薄膜層。
[0036]設(shè)定加熱臺溫度，使下電極22表面溫度為70°C。將旋涂有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液的襯底放置在下電極22表面，然后施加靜電場，使襯底處于均勻靜電場環(huán)境退火固化。退火固化時間為30分鐘，最終得到有機(jī)鈣鈦礦薄膜。靜電場強(qiáng)度從OV/cm到4000V/cm，通過測量有機(jī)鈣鈦礦薄膜的熒光光譜，發(fā)現(xiàn)靜電場能夠有效的薄膜結(jié)晶質(zhì)量，提高薄膜中載流子的輻射復(fù)合效率與壽命，如圖2所示。當(dāng)靜電場強(qiáng)度在1000?3000V/cm時，效果最好，繼續(xù)增加場強(qiáng)，熒光效率迅速降低，如圖3所示。
[0037]本發(fā)明的原理為:將有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液旋涂在襯底上，在固化結(jié)晶階段在襯底表面施加外加電場，利用靜電場調(diào)控晶體固液相的吉布斯自由能，進(jìn)而提高有機(jī)鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。利用物理方法調(diào)控薄膜結(jié)晶質(zhì)量，晶粒大小，以及其光電性質(zhì)。在薄膜結(jié)晶階段，外加靜電場可以改變其吉布斯自由能和溶劑的粘滯系數(shù)，減緩結(jié)晶速率，增大晶粒尺寸，提高薄膜結(jié)晶質(zhì)量與改善表面形貌。
【主權(quán)項】
1.一種有機(jī)鈣鈦礦薄膜制備裝置，其特征在于:包括加熱平臺(1)、靜電電極和靜電發(fā)生器(3);所述靜電電極包括上電極(21)和下電極(22)，且為金屬平板，平行放置，上電極(21)與下電極(22)保持絕緣；當(dāng)在上電極(21)和下電極(22)之間施加電壓，在其中間形成均勻靜電場；所述靜電發(fā)生裝置(3)與上電極(21)和下電極(22)連接，為其提供電壓。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)鈣鈦礦薄膜制備裝置，其特征在于:所述下電極(22)緊貼加熱平臺(1)表面，樣品放置在下電極(22)表面，加熱平臺(1)控制加熱溫度，靜電發(fā)生器⑶與上電極(21)與下電極(22)間距共同調(diào)節(jié)靜電場強(qiáng)度。3.一種權(quán)利要求1所述的有機(jī)鈣鈦礦薄膜制備裝置的方法，其特征在于:包括如下步驟: 1)有機(jī)鈣鈦礦薄膜的制備: 有機(jī)鈣鈦礦薄膜采用旋涂方法，將有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液旋涂在襯底表面； 首先將襯底加熱至60?80°C，然后迅速轉(zhuǎn)移至旋涂儀； 旋涂轉(zhuǎn)速為1500?2000rpm，旋涂時間為15?25s ； 將表面旋涂有有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液的襯底迅速轉(zhuǎn)移至加熱平臺，進(jìn)行退火固化結(jié)晶； 2)利用外電場調(diào)控在有機(jī)鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程: 將旋涂有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)液的襯底放置到外電場裝置中進(jìn)行退火固化處理； 外電場施加裝置具有加熱襯底與在垂直薄膜表面方向施加靜電場的功能； 控制襯底加熱溫度70?100°C，調(diào)節(jié)襯底表面靜電場強(qiáng)度0?5000V/cm，加熱時間控制在15?45分鐘； 加熱完畢后，將襯底取出，自然冷卻至室溫，即得到有機(jī)鈣鈦礦薄膜。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有機(jī)鈣鈦礦薄膜制備裝置，包括加熱平臺、靜電電極和靜電發(fā)生器；所述靜電電極包括上電極和下電極，且為金屬平板，平行放置，上電極與下電極保持絕緣；當(dāng)在上電極和下電極之間施加電壓，在其中間形成均勻靜電場；所述靜電發(fā)生裝置與上電極和下電極連接，為其提供電壓。本發(fā)明的有益效果是：1)制備過程簡單，所需設(shè)備易操作、結(jié)構(gòu)簡單，制備出的有機(jī)鈣鈦礦薄膜結(jié)晶質(zhì)量高，表面平整。2)在薄膜固化結(jié)晶階段，施加靜電場，與現(xiàn)有薄膜制備技術(shù)兼容，技術(shù)推廣容易，無需大規(guī)模改變現(xiàn)有薄膜制備技術(shù)。因此，該薄膜制備技術(shù)在有機(jī)太陽電池制備領(lǐng)域具有潛在推廣價值。
【IPC分類】C30B30/02, C30B7/14
【公開號】CN105256374
【申請?zhí)枴緾N201510745992
【發(fā)明人】蔡春鋒, 畢崗
【申請人】浙江大學(xué)城市學(xué)院
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月5日