雾化溶液转变为雾状半固态原子团簇的方法及装置与应用

1.本发明属于金属卤化物钙钛矿薄膜的湿法制备工艺与其发光、光伏、探测等应用领域，涉及雾化溶液转变为雾状半固态原子团簇的方法及装置与应用。


背景技术：

2.金属卤化物钙钛矿具有abx3型结构，其中a为ch3nh
3
、nh2ch=nh
2
、cs

等正一价有机或无机阳离子，b为pb
2
、sn
2
等正二价金属阳离子，x为i-、br-、cl-等负一价卤素阴离子。金属卤化物钙钛矿作为一种新型功能材料，兼具有机材料的可溶液加工特点和无机材料优异的光电性能，具有高吸光系数、低激子结合能、高载流子迁移率、长载流子寿命等优异的物理性质，其光电器件表现出制备工艺简单、生产成本低廉、光电性能突出、柔性性能优异等特点，在下一代发光、光伏及探测领域极具应用潜力。
3.在太阳能电池中，制绒等陷光结构能使入射光在电池内部进行多次反射被充分吸收，产生更多的光生载流子，提高电池的短路电流密度和效率。钙钛矿/硅异质结叠层太阳能电池研究表明，双面制绒的硅作为底电池的叠层器件的光学性能最优。然而，对于在大面积晶硅电池制绒面上制备钙钛矿顶电池，实验室普遍采用的匀胶机旋涂法难以克服大面积均匀性差和溶液浪费的缺点，不再适用，喷墨印刷、喷涂、刮刀涂布、缝模涂布等现有大面积溶液加工方法，在制绒的粗糙衬底上也难以获得优良薄膜。目前，大多数科研人员的共识是，退而求其次采用真空沉积等气相沉积方法来制备大面积钙钛矿顶电池，但是与溶液加工法相比，气相沉积方法获得的钙钛矿薄膜的性能通常较差。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供雾化溶液转变为雾状半固态原子团簇的方法及装置与应用，解决在大面积晶硅电池制绒面上制备钙钛矿顶电池的溶液加工难题。
5.为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：一种雾化溶液转变为雾状半固态原子团簇的方法，1）在第一腔室内雾化溶液；2）通过增大第一腔室体积或者连通第二低压腔室，使第一腔室内压强减小，加速挥发雾状液滴上的溶剂，失去大部分溶剂后从雾状液滴转变为雾状半固态原子团簇。
6.所述的溶液是水或有机溶剂与溶质混合物，溶质分散于水或有机溶剂中，常温下呈现液态；第二低压腔室内的压强低于第一腔室，第一腔室内的压强低于大气压强。
7.一种采用所述方法制备薄膜的装置，包括真空腔室和圆柱气缸；真空腔室设有真空泵；圆柱气缸竖立安装于真空腔室中，圆柱气缸内设有下活塞、上活塞；下活塞承载衬底，上活塞设有可连通圆柱气缸与真空腔室的气阀，使气阀位于上活塞的中心，上活塞上安装进风口，进风口位于气阀的四周，进风口由真空腔室外部供风；圆柱气缸壁上设有溶液雾化器，溶液雾化器在工作时从圆柱气
缸壁中伸出，并且位于下活塞和上活塞之间。
8.所述的溶液雾化器工作完成后缩回圆柱气缸壁内，不影响活塞的滑动。
9.一种所述装置的应用方法，1）装置起始状态为，圆柱气缸的上下两个活塞都位于最低位置，在下活塞上安装有衬底，由真空泵对圆柱气缸和真空腔室抽真空，适时开关气阀实现真空腔室的压强低于圆柱气缸；2）把溶液通过雾化器充入圆柱气缸，再把上活塞上提，然后打开气阀，在圆柱气缸内生成雾状半固态原子团簇，同时溶剂分子从圆柱气缸扩散进入真空腔室被真空泵收集；3）关闭气阀，把下活塞上推，使雾状半固态原子团簇沉积于衬底上形成半固态薄膜；4）取出衬底，通过进风口送风清空圆柱气缸，然后将圆柱气缸恢复起始状态。
10.所述的应用方法，溶液中的溶质为金属卤化物钙钛矿的前驱体；衬底上的半固态薄膜经退火处理获得结晶态的金属卤化物钙钛矿薄膜。
11.本发明的技术效果是：可实现类似于由匀胶机旋凃溶液获得的均匀厚度半固态薄膜，再经退火处理获得结晶薄膜；可实现在大面积绒面等粗糙衬底上溶液加工沉积均匀厚度薄膜。本发明可在钙钛矿/硅异质结叠层太阳能电池等薄膜光电器件方面获得应用。
附图说明
12.图1是本发明的一个实施例装置的结构示意图；图中，圆柱气缸1、下活塞2、上活塞3、薄膜衬底4、气阀5、真空腔室6、真空泵7、溶液雾化器8、进风口9。
具体实施方式
13.下面对本发明的具体实施例以及附图进行详细说明，其中的实施例以及说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
14.一种雾化溶液转变为雾状半固态原子团簇的方法，1）在第一腔室内雾化溶液；2）通过增大第一腔室体积或者连通第二低压腔室，使第一腔室内压强减小，加速挥发雾状液滴上的溶剂，失去大部分溶剂后从雾状液滴转变为雾状半固态原子团簇。
15.所述方法，所述的溶液是水或有机溶剂与溶质混合物，溶质分散于水或有机溶剂中，常温下呈现液态；第二低压腔室内的压强低于第一腔室，第一腔室内的压强低于大气压强。
16.装置实施例如图1所示，一种采用所述方法制备薄膜的装置，包括真空腔室6（即第二低压腔室）和圆柱气缸1（即第一低压腔室）；真空腔室6设有真空泵7。
17.圆柱气缸1竖立安装于真空腔室6中，圆柱气缸1内设有下活塞2、上活塞3；下活塞2承载衬底4，上活塞3设有可连通圆柱气缸1与真空腔室6的气阀5，使气阀5位于上活塞3的中
心，上活塞3上安装进风口9，进风口9位于气阀5的四周，进风口9由真空腔室6外部供风。
18.圆柱气缸1壁上设有溶液雾化器8，溶液雾化器8在工作时从圆柱气缸1壁中伸出，并且位于下活塞2和上活塞3之间，溶液雾化器8工作完成后缩回圆柱气缸1壁内，不影响活塞的滑动。
19.应用实施例一种所述装置的应用方法，1）装置起始状态为，圆柱气缸1的上下两个活塞都位于最低位置，在下活塞2上安装有衬底4（可从圆柱气缸1中抽出下活塞2，安装衬底4后再推入圆柱气缸1底部），由真空泵7对圆柱气缸1和真空腔室6抽真空，适时开关气阀5实现真空腔室6的压强低于圆柱气缸1；所需压强大小可由实验调试确定。
20.2）制备金属卤化物钙钛矿溶液，把溶液通过雾化器8充入圆柱气缸1，再把上活塞3上提，使雾状溶液液滴所处的压强减小，溶剂开始加速挥发，然后打开气阀5，溶剂分子从圆柱气缸1扩散进入真空腔室6，而雾状溶液液滴向上的扩散速率慢于溶剂分子，溶剂分子大量地扩散逃逸使雾状溶液液滴所处的压强再次减小，加速溶剂挥发，最终在圆柱气缸1内生成雾状半固态原子团簇，同时溶剂分子从圆柱气缸1扩散进入真空腔室6被真空泵7收集；3）在雾状半固态原子团簇扩散到气阀5位置之前关闭气阀5，把下活塞2上推，使雾状半固态原子团簇沉积于衬底4上形成半固态薄膜；4）从圆柱气缸1中抽出下活塞2，取出衬底4，通过进风口9送风清空圆柱气缸1，然后将圆柱气缸1恢复起始状态。
21.所述的应用方法，溶液中的溶质为金属卤化物钙钛矿的前驱体；衬底4上的半固态薄膜经退火处理获得结晶态的金属卤化物钙钛矿薄膜。
22.上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。