半导体CsPbX3薄膜材料及其制备方法、应用、太阳能电池

本发明涉及半导体薄膜材料的，尤其是涉及一种半导体cspbx3薄膜材料及其制备方法、应用、太阳能电池。

背景技术：

1、目前，纯无机钙钛矿薄膜主要在绝缘衬底（例如srtio3）上实现外延生长。然而，绝缘衬底上生长的外延的薄膜限制了无机钙钛矿薄膜在半导体器件领域内更广泛的应用，其原因在于：一方面，很难找到与无机钙钛矿晶格相匹配的导电衬底；另一方面，纯无机钙钛矿材料的空气稳定性较差，生长条件较为苛刻。

2、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种半导体cspbx3薄膜材料，作为衬底的单晶硅与无机钙钛矿材料（cspbx3）的晶格较为匹配，能够使无机钙钛矿外延薄膜在半导体器件领域实现更广泛的应用。

2、本发明的目的之二在于提供一种半导体cspbx3薄膜材料的制备方法，工艺简单，易于操作，能够在单晶硅衬底上成功外延生长cspbx3薄膜。

3、本发明的目的之三在于提供一种半导体cspbx3薄膜材料的应用。

4、本发明的目的之四在于提供一种太阳能电池。

5、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

6、第一方面，一种半导体cspbx3薄膜材料，包括单晶硅衬底和生长在单晶硅衬底上的cspbx3外延薄膜；

7、所述cspbx3中的x包括卤素。

8、进一步的，所述cspbx3外延薄膜为外延单晶薄膜；

9、所述cspbx3外延薄膜的取向与单晶硅衬底的晶向相同；

10、所述单晶硅衬底的晶向包括<100>、<110>以及<111>中的至少一种；

11、所述cspbx3外延薄膜的厚度为2~1000nm；

12、所述cspbx3外延薄膜与单晶硅衬底之间的晶格失配度≤5%。

13、进一步的，所述卤素包括cl、br以及i中的至少一种。

14、第二方面，一种半导体cspbx3薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

15、采用脉冲激光沉积技术在单晶硅衬底上外延生长cspbx3薄膜，得到所述半导体cspbx3薄膜材料。

16、进一步的，所述制备方法包括以下步骤：

17、脉冲激光烧蚀cspbx3靶材以形成等离子体羽，再经等离子体绝热膨胀，之后定向扩散沉积到单晶硅衬底上并沿单晶硅衬底的晶格特征定向形核，同时外延生长以形成cspbx3薄膜，之后经退火处理，得到所述半导体cspbx3薄膜材料；

18、所述cspbx3靶材与所述单晶硅衬底之间的距离为3~6cm；

19、所述外延生长的方式为赝晶外延生长；

20、所述退火处理的温度为100~400℃，时间为1200~4800s。

21、进一步的，所述脉冲激光沉积技术的工艺参数包括：

22、背景真空度1×10-3~5×10-3pa；

23、和/或，单晶硅衬底温度100~400℃；

24、和/或，激光能量200~400mj；

25、和/或，激光频率1~6hz。

26、进一步的，所述单晶硅衬底包括清洗处理的单晶硅衬底；

27、所述清洗处理包括以下步骤：

28、单晶硅衬底先经超声清洗处理，再经氢氟酸溶液的刻蚀处理以去除氧化层，干燥后用氮气等离子体处理单晶硅衬底表面，得到清洗处理的单晶硅衬底；

29、所述cspbx3靶材包括圆柱形cspbx3靶材；

30、所述圆柱形cspbx3靶材的直径为二至五英寸，厚度为0.1~3cm；

31、所述圆柱形cspbx3靶材的制备方法包括以下步骤：

32、csx和pbx2经混合研磨、压制成型以及烧结，得到所述圆柱形cspbx3靶材；

33、其中，csx和pbx2的混合摩尔比为1：1；

34、所述压制成型的压力为20mpa；

35、所述烧结的方式包括在真空马弗炉中进行烧结；

36、所述烧结的温度为200-400℃。

37、第三方面，一种上述任一项所述的半导体cspbx3薄膜材料在半导体器件中的应用。

38、第四方面，一种太阳能电池，包括上述任一项所述的半导体cspbx3薄膜材料；

39、所述半导体cspbx3薄膜材料的cspbx3外延薄膜上设置有电子传输层或空穴传输层；

40、所述电子传输层包括tio（氧化钛）、sno（氧化锡）以及zno（氧化锌）中的至少一种；

41、所述空穴传输层包括nio（氧化镍）、spiro-meotad以及cui（碘化亚铜）。

42、进一步的，所述电子传输层或所述空穴传输层的制备方法包括：采用脉冲激光沉积技术在cspbx3外延薄膜上沉积以形成所述电子传输层或所述空穴传输层；

43、所述电子传输层或所述空穴传输层上设置有正极；

44、所述半导体cspbx3薄膜材料的单晶硅衬底的背面设置有负极；

45、所述太阳能电池的电极包括al、ag、au以及sn中的至少一种；

46、所述太阳能电池以n型单晶硅作为电子传输层或以p型单晶硅作为空穴传输层。

47、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

48、本发明提供的半导体cspbx3薄膜材料，以非绝缘的单晶硅作为衬底，单晶硅衬底与无机钙钛矿（cspbx3）材料的晶格较为匹配，所以单晶硅衬底上能够实现外延生长无机钙钛矿薄膜，使无机钙钛矿外延薄膜在半导体器件领域中得到更广泛的应用，同时，以单晶硅作为传输层的成本明显降低且解决了传统传输层不稳定的问题，而且硅和钙钛矿的外延界面解决了传统电池吸收层和传输层的缺陷捕获问题，提高了载流子提取能力和传输能力。

49、本发明提供的半导体cspbx3薄膜材料的制备方法，工艺简单，易于操作，能够在单晶硅衬底上成功外延生长cspbx3薄膜。

50、本发明提供的半导体cspbx3薄膜材料的应用，能够提高半导体器件的工作性能，具有突出的应用效果。

51、本发明提供的太阳能电池，不仅成本低，而且具有稳定性高和效率高的特点。

技术特征：

1.一种半导体cspbx3薄膜材料，其特征在于，包括单晶硅衬底和生长在单晶硅衬底上的cspbx3外延薄膜；

2.根据权利要求1所述的半导体cspbx3薄膜材料，其特征在于，所述cspbx3外延薄膜为外延单晶薄膜；

3.根据权利要求1所述的半导体cspbx3薄膜材料，其特征在于，所述卤素包括cl、br以及i中的至少一种。

4.一种权利要求1-3任一项所述的半导体cspbx3薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述脉冲激光沉积技术的工艺参数包括：

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述单晶硅衬底包括清洗处理的单晶硅衬底；

8.一种权利要求1-3任一项所述的半导体cspbx3薄膜材料在半导体器件中的应用。

9.一种太阳能电池，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的半导体cspbx3薄膜材料；

10.根据权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层或所述空穴传输层的制备方法包括：采用脉冲激光沉积技术在cspbx3外延薄膜上沉积以形成所述电子传输层或所述空穴传输层；

技术总结
本发明提供了一种半导体CsPbX<subgt;3</subgt;薄膜材料及其制备方法、应用、太阳能电池，涉及半导体薄膜材料的技术领域，该半导体CsPbX<subgt;3</subgt;薄膜材料包括单晶硅衬底和生长在单晶硅衬底上的CsPbX<subgt;3</subgt;外延薄膜，其中，X包括卤素。本发明解决了现有技术中纯无机钙钛矿（CsPbX<subgt;3</subgt;）薄膜主要在绝缘衬底（例如SrTiO<subgt;3</subgt;）上实现外延生长，从而限制了无机钙钛矿薄膜在半导体器件领域内广泛应用的技术问题，达到了在非绝缘的单晶硅衬底上生长无机钙钛矿外延薄膜，使无机钙钛矿外延薄膜在半导体器件领域中具有更广泛应用的技术效果。

技术研发人员：周煜,袁蓓蕾,于颖,曹丙强
受保护的技术使用者：济南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15