[发明专利]连续生长大尺寸钙钛矿单晶的装置及方法

说明书

本发明公开了一种连续生长大尺寸钙钛矿单晶的装置及方法，基于环流和逆温结晶来连续生长具有高结晶质量的钙钛矿单晶，属于新型材料器件制造工艺领域。本发明装置利用钙钛矿晶体生长瓶和原料驱动瓶中的温度差使装置中的钙钛矿溶液环流，将原料驱动瓶中的过饱和的钙钛矿溶液源源不断的输运到钙钛矿晶体生长瓶中参与逆温结晶。并通过控制钙钛矿晶体生长瓶和原料驱动瓶的各自的温度T1、T2和相应的温度差T，整体钙钛矿单晶的生长时间t，以及通过原料驱动瓶加入装置的原料m来控制钙钛矿单晶的生长速度和生长大小。本发明可以连续并且快速的生长钙钛矿单晶，易于大规模生产。通过本发明晶体制备方法，可生长得到对角线长度为钙钛矿晶体生长瓶尺寸大小的钙钛矿单晶，最大生长速度为1厘米/天，具有显著的产业化推广价值。

技术领域

本发明涉及一种单晶的制备装置和方法，特别是涉及一种钙钛矿单晶的装置及方法，应用于太阳能电池器件的新材料制造工艺技术领域。

背景技术

当今世界，随着地球资源的日益减少和人类对能源需求的不断增加，为了应对正在到来的能源危机和环境危机，我们的能源利用方式必须由不可再生能源系统向可再生能源系统转变。面对目前能源危机及环境污染，太阳能作为一种可再生能源，是满足全球范围内日益增长的能源需求的重要方法之一。其中光伏作为新能源开发的对象，因其安全、清洁、成本低廉等优点而受到重视，研发高效低成本的新型太阳电池是实现太阳能光伏发电广泛应用的技术基础。

自2009年以来，钙钛矿型太阳能电池发展迅速，并且成本低廉，生产过程中对环境造成的污染少，已经成为了光伏领域的研究热点。卤铅铵钙钛矿以其具有合适和易调节的带隙、载流子迁移率高以及对杂质和缺陷的良好容忍度等优良特性，使钙钛矿太阳电池成为一种全新、高效率、价格便宜、制备简单、结构多样的新型无机-有机杂化异质结太阳电池。制备尺寸大、结晶度好的钙钛矿晶体有可能成为制备更大更好的钙钛矿太阳能电池的一种有效方式。

然而生长大尺寸单晶是一个很大的挑战，最初，有报道毫米级的钙钛矿单晶，但这种方法只将晶体长到10mm。通过将钙钛矿的前躯体溶液对流，与最大晶体尺寸限制为约10毫米。通过使用离子对流在一个前体溶液，Huang和合作者开发了一种顶部籽晶溶液生长(TSSG)方法在一块硅基板的制备单晶的钙钛矿。在这个过程中，在预先合成较小的钙钛矿晶体被用作种子，最终长成平均尺寸为3.3mm和最大尺寸约为10mm的钙钛矿晶体。Bakr和合作者使用反溶剂蒸发扩散的方法制备出毫米大小的CH₃NH₃PbBr₃和CH₃NH₃PbI₃单晶。在另一方面，通过从65℃缓慢降低到40℃以使钙钛矿溶液饱和并诱导其析出，经过约一个月的生长，Tao和合作者制备出最大10mm×10mm×8mm的CH₃NH₃PbI₃单晶。Liu和他的合作者近期通过籽晶诱导异相成核逆温结晶法制备出了最大为71mm×54mm×39mm的钙钛矿单晶，这也是最近报道的生长出的最大的单晶。

对于商业应用，仍然需要较大的晶体尺寸。所有上述四种方法中的仍太耗时，不能满足大规模生产的要求。其中前三种方法繁琐且不能够长大单晶，后一种则不能在同一装置内连续长大，并且十分耗费溶液，此外，有沿着玻璃滑道边缘形成约50个较小的1-2毫米的晶体，如载玻片的锋利的边缘提供了钙钛矿晶体生长成核位点。这些成核位点限制了晶体的长大。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种连续生长大尺寸钙钛矿单晶的装置及方法，通过改进后的新装置进行钙钛矿单晶的连续生长，制备出尺寸大、结晶度好的钙钛矿单晶，并将此新装置运用于大规模商业生产。利用本发明新装置，能采用一整套用于方便的、快捷的连续生长钙钛矿大单晶的稳定性好的结晶工艺流程，本发明基于环流和逆温结晶方法，实现连续生长具有高结晶质量的钙钛矿单晶，具有重要的产业推广价值。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：