[发明专利]用于光电应用的钙钛矿周期性阵列的制备

说明书

本发明涉及固‑液‑固相变(SLSPT)方法用于制造钙钛矿周期性纳米结构。通过钙钛矿从初始固态到液态最后到固态的相变，将模具上的图案通过钙钛矿复制。包含钙钛矿周期性纳米结构的LED显示出比具有平坦钙钛矿的LED更好的性能。此外，来自SLSPT的钙钛矿周期性纳米结构可以应用于许多光电设备，例如太阳能电池、发光二极管(LED)、激光二极管、晶体管和光电探测器。

技术领域

本发明涉及钙钛矿周期性纳米结构的制备及其在光电设备中的应用。

背景技术

近年来，有机-无机杂化钙钛矿因其在光电设备中的广泛应用而引起全球关注。三维有机金属卤化物钙钛矿薄膜的证明的应用包括太阳能电池、发光二极管(LED)、激光器、晶体管和光电探测器。钙钛矿的这种广泛应用与其独特的化学结构密切相关。三维钙钛矿的通式为ABX₃(A＝CH₃NH₃、HC(NH₂)₂或Cs，B＝Pb或Sn，X＝Cl、Br或I)。通过简单地改变A、B和X的构成，可以容易地将钙钛矿的带隙(Eg)从1.17eV调节到3.0eV。

钙钛矿的大多数用途是基于钙钛矿的平坦薄膜，其可以通过各种方法形成，例如旋涂、热蒸发和刮刀涂布。另一方面，与平坦薄膜相比，半导体的周期性纳米结构具有无法比拟的光学性质。在光伏领域中，与金属电极相关联的半导体周期性纳米结构用来刺激表面等离子体，也用来增加半导体内的光路长度，以便提高相应太阳能电池的功率转换效率(PCE)。此外，周期性纳米结构已应用于LED以增加光提取。此外，在精确设计半导体周期性纳米结构之后，可以实现分布反馈(DFB)激光器和光子晶体激光器。

然而，直接图案化钙钛矿的挑战在于其化学不稳定性。据报道，钙钛矿在暴露于极性溶剂(如水、甲醇和丙酮)后会分解。通常用于纳米加工的光刻法会损坏钙钛矿，因为在该过程中使用的光致抗蚀剂的显影剂通常溶解在水中。另一方面，来自光刻法中使用的聚焦离子束的高功率离子不仅会不期望地去除钙钛矿，而且还会分解附近的钙钛矿。在那种情况下，用光刻法获得的钙钛矿图案可能与预期的设计非常不同。此外，钙钛矿的晶体质量可能会受损。据报道，通过气体辅助聚焦离子束蚀刻的过程减轻了钙钛矿在制造过程中的损坏。然而，与原始的平坦钙钛矿相比，图案化钙钛矿的光致发光(PL)降低表明图案化钙钛矿的膜质量仍然变差。

发明内容

本发明涉及用于制造具有高晶体质量的钙钛矿周期性纳米结构的新固-液-固相变(SLSPT)方法。在一个示例性实施方案中，该方法包括在基底上形成平坦钙钛矿薄膜，用周期性模具覆盖钙钛矿薄膜，然后通过使其与化学物质反应将固体钙钛矿薄膜转化为液体中间体，随后通过去除引入的化学物质将液体中间体恢复为固体钙钛矿，和升起模具。结果是制造了钙钛矿周期性纳米结构。

通过相变制备了高质量钙钛矿周期性纳米结构，其中钙钛矿自身生长成周期性纳米结构。用于本发明的方法不需要传统且昂贵的光刻纳米制造技术，该技术直接图案化半导体然后将其蚀刻掉。后者严重依赖技能、昂贵的设备，并在图案化中使用大量化学品。

可以根据溶剂工程方法在PEDOT:PSS/ITO基板上制备初始平坦MAPbI₃薄膜。

本方法可以提供若干优点。根据本发明的一个方面，整个方法避免极性溶剂(例如水)或高温(150℃)，或高功率颗粒撞击和损坏钙钛矿。根据本发明的另一方面，初始的平坦钙钛矿薄膜可以通过不同的方法制备。它不仅限于单一的某种方法。根据本发明的又一方面，液体中间体与周期性模具形成紧密接触，因此有助于从模具精确复制图案。根据本发明的另一方面，在形成周期性纳米结构后，原始薄膜中的可见晶界消失，这表明钙钛矿周期性纳米结构可具有单晶的性质。进一步的益处包括但不限于钙钛矿周期性纳米结构的晶体质量与其平坦薄膜形式相比得到改善。更重要的是，用钙钛矿周期性纳米结构制成的LED优于具有平坦钙钛矿薄膜的LED。最后且同样重要的是，使用SLSPT方法产生的钙钛矿周期性纳米结构适用于不同的光电设备，例如太阳能电池，LED，激光二极管，光电探测器和晶体管。从下面详述的实施方案中将理解和理解更多益处。