一種電致發光和光伏雙功能器件及其製備方法與流程
2023-07-09 11:45:26 2
本發明涉及一種電致發光和光伏雙功能器件及其製備方法，屬於半導體光電子器件技術領域。
背景技術：
鈣鈦礦太陽能電池具有製備工藝簡單、成本低、效率高等優點。自從2012年park課題組首次報導壽命500小時以上、效率達到9.7%的全固態鈣鈦礦太陽能電池以來，鈣鈦礦太陽能電池受到了學界和產業界的極大關注，發展迅速，還被《science》評選為2013年十大科學突破之一。鈣鈦礦太陽能電池在短短幾年裡發展迅速，目前報導的鈣鈦礦太陽能電池的效率已經突破了20%。
鈣鈦礦太陽能電池的研究方興未艾，研究人員又發現鈣鈦礦同時是一種性能優異的發光材料，具備一系列突出的優點：(1)發光效率高。光致發光效率可達80%以上；(2)帶隙和光譜簡單可調。通過調節不同滷元素的比例可以輕鬆實現發光峰從可見覆蓋到近紅外區；(3)光譜色純高，發光光譜半峰寬度~20nm；(4)製備成本低廉、工藝簡單，可通過溶液法實現大面積生產。鈣鈦礦電致發光器件的系列優點及其展現出的優異性能顯示出它在照明與平板顯示領域中巨大的應用前景。
雖然已經證明鈣鈦礦同時是一種性能優異的光伏和發光材料，但是傳統的鈣鈦礦器件絕大多數為單一功能器件，只能提供發光或者光伏中的單一功能，器件集成度差。開發兼顧發光和光伏功的雙功能器件對於研究鈣鈦礦器件研究和產業化應用都具有重要的意義。
技術實現要素：
為了解決背景技術中所述的問題，本發明提供了一種電致發光和光伏雙功能器件及其製備方法。為了實現上述目的，本發明提出以下技術方案：
一種電致發光和光伏雙功能器件及其製備方法，其特徵在於，器件結構由下到上依次包括透明導電襯底、第一修飾層、鈣鈦礦活性層、第二修飾層和反射電極組成。
進一步的，所述的透明導電襯底為生長有ito的玻璃襯底，方塊電阻10-20ω，透過率在80-90%。
進一步的，所述的第一修飾層為pedot:pss，pedot:pss通過溶液旋轉塗覆的方法製備，厚度在30-50nm。
進一步的，所述的鈣鈦礦活性層為cspbbr3和ch3nh3pbbr3中的一種，鈣鈦礦活性層通過溶液旋轉塗覆的方法製備，厚度在50-300nm。
進一步的，所述的第二修飾層為tpbi、bphen、bcp中的一種，厚度在10-50nm。
進一步的，所述的反射電極為au、ag、al或者它們的合金中的一種，反射電極厚度在50-200nm。
進一步的，器件的製備還包括以下步驟：
(1)透明導電襯底處理：透明導電襯底採用丙酮、玻璃清洗劑依次清洗，然後在丙酮、去離子水、異丙醇中各超聲處理10分鐘，用氮氣吹乾後紫外燈照射處理10分鐘待用；
(2)第一修飾層製備：在透明導電襯底上旋轉塗覆pedot:pss的水溶液，轉速為低俗500rpm，旋轉5秒，高速3000-4000rpm，旋轉30-50秒；塗覆完畢後，在120攝氏度的加熱板上加熱退火處理20分鐘；
(3)鈣鈦礦光敏層製備：室溫下配置有機無機雜化鈣鈦礦前驅體溶液，將定量的cspbbr3或者ch3nh3pbbr3在二甲基亞碸(dmso)中溶解，60℃條件下加熱12小時至溶解充分，得到鈣鈦礦前驅體溶液；利用勻膠機將前驅體溶液旋轉塗覆在第一修飾層上；轉速2000-3000rpm，旋轉時間40-60秒；鈣鈦礦活性層旋轉塗覆完畢的瞬間，在鈣鈦礦活性層上滴加20ml的氯仿溶液繼續旋轉塗覆，轉速2000-3000rpm，旋轉時間20-30秒；完成後將器件轉移至90℃的加熱板上退火10-30分鐘；
(4)第二修飾層製備：完成後將器件轉移至真空鍍膜機中，待真空度小於5×10-4pa的條件下後，通過熱蒸發的方法繼續沉積第二修飾層；
(5)製備反射電極：在第二修飾層上通過熱蒸發的方法沉積一層的al、ag或者au作為反射電極，獲得鈣鈦礦電致發光和光伏雙功能器件。
附圖說明
圖1為本發明的電致發光和光伏雙功能器件結構示意圖
具體實施方式
實例一：一種電致發光和光伏雙功能器件及其製備方法，器件結構示意如圖1所示，器件結構由下到上依次包括透明導電襯底、第一修飾層、鈣鈦礦活性層、第二修飾層和反射電極組成。具體地，器件結構為ito（方塊電阻10ω，透過率在85%）/pedot:pss（40nm）/cspbbr3（200nm）/tpbi（20）/al（100nm），器件的製備包括步驟：
第一步、基底清洗：
透明導電襯底使用丙酮、玻璃清洗劑依次清洗，丙酮、去離子水、異丙醇中各超聲處理10分鐘，氮氣吹乾後紫外燈照射處理10分鐘；
第二步、第一修飾層製備：
在透明導電襯底上旋轉塗覆pedot:pss的水溶液，轉速為低俗500rpm，旋轉5秒，高速3500rpm，旋轉35秒；塗覆完畢後，在120℃的加熱板上加熱退火處理20分鐘；
第三步、鈣鈦礦光敏層製備：
室溫下配置無機鈣鈦礦前驅體溶液，將定量的cspbbr3在dmso中溶解，濃度為1m,60℃條件下加熱12小時至溶解充分，得到cspbbr3鈣鈦礦前驅體溶液；利用勻膠機將前驅體溶液旋轉塗覆在第一修飾層上；轉速2000rpm，旋轉時間60秒；鈣鈦礦活性層旋轉塗覆完畢的瞬間，在鈣鈦礦活性層上滴加20ml的氯仿溶液繼續旋轉塗覆，轉速2000rpm，旋轉時間20秒；完成後將器件轉移至90℃的加熱板上退火10分鐘，去除多餘的溶劑，形成結晶性能良好的cspbbr3鈣鈦礦薄膜；
第四步、第二修飾層製備：
生長上述器件轉移至真空鍍膜機中，待真空度小於5×10-4pa的條件下後，通過熱蒸發的方法繼續沉積20nm的tpbi作為第二修飾層；
第五步：製備反射電極：
製備反射電極：真空度小於5×10-4的真空條件下，在第二修飾層上通過熱蒸發的方法沉積一層100nm的al作為反射電極，獲得鈣鈦礦電致發光和光伏雙功能器件；
第六步、測試：
在am1.5模擬太陽能光照射下測得鈣鈦礦電致發光和光伏雙功能器件的開路電壓1.3v，填充因子0.40，短路電流2.8ma/cm2，能量轉換效率為1.45%。加電條件下，測得器件啟亮電壓為3.2v，最大亮度為2870cd/cm2，發光峰位於527nm左右，半峰寬為21nm。器件實現電致發光和光伏的雙功能。
實例二：一種電致發光和光伏雙功能器件及其製備方法，器件結構由下到上依次包括透明導電襯底、第一修飾層、鈣鈦礦活性層、第二修飾層和反射電極組成。具體地，器件結構為ito（方塊電阻10ω，透過率在85%）/pedot:pss（40nm）/ch3nh3pbbr3（300nm）/bphen(20nm)/ag（100nm），器件的製備包括步驟：
第一步、基底清洗：同實例一；
第二步、第一修飾層製備：同實例一；
第三步、鈣鈦礦光敏層製備：
室溫下配置有機無機雜化鈣鈦礦前驅體溶液，將定量的ch3nh3pbbr3在dmso中溶解，濃度為1.2m,60℃條件下加熱12小時至溶解充分，得到ch3nh3pbbr3鈣鈦礦前驅體溶液；利用勻膠機將前驅體溶液旋轉塗覆在第一修飾層上；轉速2500rpm，旋轉時間50秒；鈣鈦礦活性層旋轉塗覆完畢的瞬間，在鈣鈦礦活性層上滴加20ml的氯仿溶液繼續旋轉塗覆，轉速2000轉，旋轉時間30秒；完成後將器件轉移至90℃的加熱板上退火15分鐘，去除多餘的溶劑，形成結晶性能良好的ch3nh3pbbr3鈣鈦礦薄膜；
第四步、第二修飾層製備：
生長上述器件轉移至真空鍍膜機中，待真空度小於5×10-4pa的條件下後，通過熱蒸發的方法繼續沉積20nm的bphen作為第二修飾層；
第五步：製備反射電極：
製備反射電極：真空度小於5×10-4的真空條件下，在第二修飾層上通過熱蒸發的方法沉積一層100nm的ag作為反射電極，獲得鈣鈦礦電致發光和光伏雙功能器件；
第六步、測試：
在am1.5模擬太陽能光照射下測得鈣鈦礦電致發光和光伏雙功能器件的開路電壓1.25v，填充因子0.32，短路電流3.2ma/cm2，能量轉換效率為1.28%。加電條件下，測得器件啟亮電壓為3.3v，最大亮度為3870cd/cm2，發光峰位於525nm左右，半峰寬為20nm。器件實現電致發光和光伏的雙功能。