一种利用热蒸镀合成带隙连续渐变钙钛矿薄膜的方法

创作时间:

作者:

@小白创作中心

一种利用热蒸镀合成带隙连续渐变钙钛矿薄膜的方法

引用

来源

https://www.xjishu.com/zhuanli/24/202411592075.html

钙钛矿材料因其优异的光电性能，在太阳能电池、发光二极管等领域展现出巨大应用前景。然而，传统的制备方法存在诸多局限。浙江大学研究团队最新发明了一种利用热蒸镀合成带隙连续渐变钙钛矿薄膜的方法，通过创新的装置设计和工艺流程，实现了材料性能的重大突破。

背景技术

带隙渐变钙钛矿材料由于具有更高的光电转换效率、更广的光谱吸收范围和灵活的光学调控能力等优点，在提高叠层硅太阳能电池效率、设计可调谐发光二极管、宽光谱探测器等光电领域发挥了巨大应用。
钙钛矿材料的带隙渐变主要通过调控卤素元素的比例来实现，因此可以通过多次配比不同浓度卤素元素的溶液来制备，但这种制备方法流程繁琐，而且不能一次合成带隙连续渐变的钙钛矿材料。
近年来，为了实现一次合成带隙连续渐变的钙钛矿材料，科学家提出了固气交换法、固液交换法、梯度刮涂法和液滴自扩散法等。固气交换法是将预制备的钙钛矿薄膜放置在另一种卤化物气体中，利用气体和固体薄膜在不同温度下离子交换的程度不同来实现渐变，因此渐变可控性较差，且适用的材料范围窄，不具有通用性。固液交换法是将预制备的钙钛矿薄膜浸入卤化物溶液中，然后缓慢拉出薄膜，利用固液离子交换的长短来制备渐变薄膜，同上一个方法相比，制备可控性增加，但由于溶液中溶剂的存在，往往会降低后期光电器件的性能。梯度刮涂法则是通过刮涂过程中连续改变卤素元素比例制备渐变薄膜，同样溶液中的溶剂会对后续光电器件造成影响。液滴自扩散法是利用钙钛矿前驱体液滴之间的自扩散和相互扩散在界面处制备渐变薄膜，因此制备的薄膜尺寸较小，渐变范围较窄。
综上所述，由于局限于实验方法和仪器设备，目前提出的合成方法存在适用范围窄、可控性差、渐变范围受限等问题，且都无法满足均一化、大规模兼容工业生产的需求。

技术实现思路

为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种利用热蒸镀合成带隙连续渐变钙钛矿薄膜的装置，包括热蒸镀真空腔室、基片台、蒸发源、热蒸镀抽真空模块以及真空位移模块；
所述热蒸镀真空腔室用于提供真空环境；所述基片台设置在热蒸镀真空腔室内部的顶部，基片台用于固定基片；所述蒸发源设置在热蒸镀真空腔室内的底部，所述蒸发源用于盛放前驱体材料；所述热蒸镀抽真空模块用于对热蒸镀真空腔室进行抽真空；所述真空位移模块设置在热蒸镀真空腔室内，真空位移模块用于在热蒸镀过程中对蒸镀料沉积时进行遮挡；
所述真空位移模块包括遮挡掩膜板、支撑杆以及真空位移电机；所述遮挡掩膜板与支撑杆的一端固定连接，支撑杆的另一端固定在真空位移电机上；在热蒸镀过程中，通过真空位移电机的移动从而调整蒸镀料沉积的厚度。
本发明还提供了一种基于上述装置的合成带隙连续渐变钙钛矿薄膜的方法，包括以下步骤：
1)将基片固定在基片台上，将足量的pbbr粉末、csi粉末以及cscl粉末分别放置在三个蒸发源内；
2)通过热蒸镀抽真空模块对热蒸镀真空腔室进行抽真空；
3)匀速旋转基片台，同时通过热蒸镀将pbbr均匀的沉积在基片上；
4)待pbbr沉积完成后停止基片台旋转；通过热蒸镀将csi或cscl进行沉积，同时启动真空位移电机带动遮挡掩膜板移动，从而实现沉积的cscl或csi是厚度不断渐变的；
5)将真空位移电机(10)复位，并将基片台旋转180°，通过热蒸镀将剩余一种前驱体材料进行沉积，同时启动真空位移电机带动遮挡掩膜板移动，从而实现沉积的最后一种前驱体材料的厚度是不断渐变的；
6)待cscl以及csi沉积完成后取出基片，对取出的基片进行高温退火得到的带隙连续渐变钙钛矿薄膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明首次将真空位移电机引入热蒸镀腔室内，奠定了工业大规模镀膜的基础。
本发明实现了在高真空下一次合成带隙连续渐变的钙钛矿材料，制备的薄膜通过厚度渐变，实现了带隙连续变化；在高真空环境下保证了整体成膜质量更高，蒸镀的薄膜更为均匀，粗糙度进一步降低，没有溶液也避免了晶体的溶解；本发明对膜厚度控制更为精确，可以达到纳米级别的精确控制。
本发明方法制备薄膜的带隙渐变范围更宽，可以实现钙钛矿材料可变化的所有带隙，且该方法适用材料范围广，对其他材料同样适用，具有很高的通用性。

技术特征

一种利用热蒸镀合成带隙连续渐变钙钛矿薄膜的装置，其特征在于，包括热蒸镀真空腔室(3)、基片台(1)、蒸发源、热蒸镀抽真空模块(9)以及真空位移模块；
一种基于权利要求1所述装置的合成带隙连续渐变钙钛矿薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据权利要求1所述的合成带隙连续渐变钙钛矿薄膜的方法，其特征在于，所述步骤2)中通过热蒸镀抽真空模块(9)对热蒸镀真空腔室(3)进行抽真空后，热蒸镀真空腔室(3)中的真空度优于5e-4pa。
根据权利要求1所述的合成带隙连续渐变钙钛矿薄膜的方法，其特征在于，蒸镀后的基片表面一侧为csi厚度逐渐变厚，在另一侧为cscl厚度逐渐变厚。
根据权利要求4所述的合成带隙连续渐变钙钛矿薄膜的方法，其特征在于，蒸镀后的带隙连续渐变钙钛矿薄膜表面br和cl的比例从一侧往中间部位不断变小，且br和i的比例从另一侧往中间部位不断变小，因此带隙从一侧往另一侧将连续变窄。

技术总结

本发明公开了一种利用热蒸镀合成带隙连续渐变钙钛矿薄膜的方法；所述装置包括热蒸镀真空腔室、基片台、蒸发源、热蒸镀抽真空模块以及真空位移模块；利用热蒸镀设备和真空位移电机，实现了在高真空下一次合成带隙连续渐变的钙钛矿薄膜，使得蒸镀后的薄膜整体上从一端往另外一端，Br和Cl的比例不断变大，Br和I的比例不断变小，带隙从左到右将连续变窄。