钙钛矿纳米线、光电探测器和太阳能电池的制备及应用
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料及其应用领域，更具体地，涉及一种铅卤钙钛矿纳米线、光电探测器和太阳能电池的制备方法及铅卤钙钛矿纳米线的应用，该铅卤钙钛矿纳米线为有机/无机杂化铅卤钙钛矿(CH3NH3PbIX2)纳米线，在器件基底的排布控制方面、以及光电转换和电光转换方向的光电子器件方面等均有应用。
【背景技术】
[0002]钙钛矿材料指的是传统满足ABX3化学计量比，并具有钙钛矿晶体结构的一大类材料。有机/无机杂化铅卤钙钛矿材料(CH3NH3PbIX2)，由于其具有带隙可调、吸光系数高、载流子产生和分离能力优异，且具有良好光电转换和电光转换性能而成为了一种极具工业应用前景的半导体材料。
[0003]对于钙钛矿纳米材料的制备方法的研宄由来已久，例如，中国专利201310257024.0和201310651418.4是采用溶液法的两步旋涂法获得钙钛矿纳米晶薄膜；中国专利201410244599.3是采用溶液法的一步旋涂法获得钙钛矿纳米晶薄膜；中国专利201410295658.X是采用真空热蒸发的方法获取钙钛矿纳米晶薄膜。然而，在上述文献中，无论是溶液法的一步法、两步法还是真空热蒸发法获取的产物均是钙钛矿纳米晶构成的颗粒薄膜，其应用仅限于薄膜太阳能电池，有机/无机杂化铅卤钙钛矿(CH3NH3PbIX2)纳米线的制备及其产物的应用并未实现。
[0004]而另一方面，随着社会科技的发展，光电子器件更加趋向于小型化、集成化和智能化，纳米线材料凭借着其独特的性能已经被用到生活的各个领域，尤其是在光电子器件方面发挥了巨大的作用，但是由于传统纳米线的制备方法成本高、技术难度大、材料性能不足、成品率低等原因，纳米线材料的实际应用领域往往受到了制约。此外，纳米线材料若要寻求更加广泛的应用，一个急需解决的问题便是如何对纳米线材料在基底上分布的均匀性、区域选择性、方向性以及整齐排列进行人为控制。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种铅卤钙钛矿纳米线的制备方法及其产物的应用，其中通过对其关键的工艺步骤如反应溶液浓度、温度、附加条件等进行改进，与现有技术相比能够有效解决铅卤钙钛矿纳米线均匀性、生长有序性不高的问题，能在基底的选择性区域生长密度均匀、方向有序(即纳米线轴线方向保持基本一致)的铅卤钙钛矿纳米线，并且生长出的铅卤钙钛矿能较好的与现有器件的其他部件或制备方法相结合(如组合成为光电探测器、太阳能电池等)，提高器件的性能。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种铅卤钙钛矿纳米线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007](I)铅卤钙钛矿前驱体溶液的配制:将碘化甲胺和铅的卤素盐按1:1的摩尔比溶于二甲基甲酰胺溶液中，制成溶质质量百分分数为0.1%?45%的铅卤钙钛矿前驱体溶液；所述铅的卤素盐为氯化铅、溴化铅和碘化铅的任意一种；
[0008](2)基底的处理:将基底紫外臭氧处理至少30分钟，得到具有亲水性的基底；所述基底为玻璃、石英、硅片或者PET片；
[0009](3)铅卤钙钛矿纳米线的制备:将所述基底的一端边缘采用刀刻或者磨损的方法粗糙化，洗净后在20°C?30°C下将所述铅卤钙钛矿前驱体溶液滴涂或者喷涂到所述基底上；然后将所述基底的粗糙化后的边缘端垫高，使所述基底与水平面呈10°?15°，接着将所述基底于20°C?30°C静置至少2小时；接着再将所述基底在80°C下加热至少30分钟，即得到铅卤钙钛矿纳米线；所述铅卤钙钛矿纳米线的直径为50纳米?5微米，长度为2微米?2毫米，并且长径比大于100。
[0010]作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中的基底在进行紫外臭氧处理前还包括对基底进行掩膜处理形成掩膜层的步骤，该掩膜层覆盖所述基底表面的部分区域，其中所述基底表面被该掩膜层覆盖的区域即非生长区，未被该掩膜层覆盖的区域即纳米线生长区；在对基底进行紫外臭氧处理后还包括去除掩膜层的步骤，得到同时具有所述纳米线生长区和所述非生长区的区域选择性的基底。
[0011]作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中的基底在掩膜处理前，首先在80°C?100°C的浓硫酸双氧水混合溶液中浸泡了至少2小时，接着在DMF溶剂中浸泡了至少I小时；所述浓硫酸双氧水混合溶液由质量百分浓度为98%的浓硫酸和质量百分浓度为30%的双氧水按体积比为5:2混合而成；所述基底为玻璃、石英或者硅片。
[0012]作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)的基底的表面上还具有与所述粗糙化后的边缘端相平行的粗糙化刻痕。
[0013]作为本发明的进一步优选，所述步骤(I)中铅卤钙钛矿前驱体溶液的溶剂质量百分分数不超过1%。
[0014]作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中的紫外臭氧处理使用紫外臭氧仪的功率为 500W ?1000W。
[0015]按照本发明的另一个方面，提供了一种利用上述铅卤钙钛矿纳米线的制备方法制备光电探测器的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤:
[0016](4)光电探测器电极的制备:在所述步骤(3)得到的覆盖有铅卤钙钛矿纳米线层的基底的粗糙化后的边缘端、以及与该粗糙化后的边缘端对应的边缘端分别蒸镀金，形成两个金电极，即得到光电探测器；所述铅卤钙钛矿纳米线层与这两个金电极相连，并且所述铅卤钙钛矿纳米线的轴线所在直线连接这两个金电极；所述金电极的厚度均不小于30纳米。
[0017]按照本发明的另一个方面，提供了一种太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0018](I)电子收集层的制备:
[0019]将洁净的透明导电玻璃FTO于450°C下喷涂0.15mol/L的二异丙氧基双乙酰丙酮钛丁醇溶液，接着再在530°C下烘烤30分钟；然后冷却，再以6000转每分钟旋涂10纳米厚度T12浆料，静置至少2小时，得到电子收集层；
[0020](2)铅卤钙钛矿纳米线吸收层的制备:
[0021]在20°C?30°C在所述电子收集层上喷涂溶质质量百分浓度为30%?45%浓度的铅卤钙钛矿溶液，所述铅卤钙钛矿溶液的溶质由碘化甲胺和铅的卤素盐按照1:1的摩尔比构成，所述铅的卤素盐为氯化铅、溴化铅或碘化铅，所述铅卤钙钛矿溶液的溶剂为二甲基甲酰胺；接着，在20°c?30°C静置至少I小时，然后在50°C?100°C热台上加热至少30分钟，重复所述喷涂、所述静置和所述加热过程至少三次，得到铅卤钙钛矿纳米线吸收层；
[0022](3)空穴传输层和电极层的制备:
[0023]在所述铅齒妈钛矿纳米线吸收层上以3000转每分钟旋涂72.5mg/mL?80mg/mL的Spiro-OMeTAD溶液，接着蒸镀上金形成金电极层。
[0024]作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中的喷涂是在2atm?5atm下进行的。
[0025]按照本发明的另一方面，提供了一种按上述制备方法制备得到的铅卤钙钛矿纳米线在场效应晶体管、光电晶体管或电致发光二极管中作为发光材料的应用。
[0026]通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果:
[0027]1.本发明成功制取了有机/无机杂化铅卤钙钛矿纳米