钙钛矿薄膜的制备方法、钙钛矿薄膜及钙钛矿太阳能电池

摘要

本发明公开一种钙钛矿薄膜的制备方法，包括以下步骤：1）、将钙钛矿溶液旋涂到具有半导体层的衬底的半导体层上，所述钙钛矿溶液的溶剂为DMF、DMSO、γ‑GBL中的一种或多种；2）、在旋涂结束前滴入反型溶剂；3）、在旋涂结束后，将衬底在压力为0.1‑10Mpa的气体环境中在80‑120℃下退火5‑60分钟，制得钙钛矿薄膜。通过本发明方法制备的钙钛矿薄膜稳定性佳、光电性能提高，适合作为钙钛矿太阳能电池的材料。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种钙钛矿薄膜的制备方法、制备的钙钛矿薄膜及钙钛矿太阳能电池。

背景技术

目前，制备致密的钙钛矿薄膜的方法通常为，首先配制钙钛矿溶液，然后滴在衬底上旋涂，在旋转过程中滴入反型溶剂（anti - solvent），如甲苯、异丙醇、乙醚等,诱导钙钛矿快速结晶，从而制成致密钙钛矿薄膜。

该方法虽然能制得致密的钙钛矿薄膜，但是也存在以下问题：（1）薄膜的稳定性不佳，在大气环境中易受到水和氧气的作用而发生分解，即使在封装条件下，也易在高温下发生分解；（2）薄膜的晶粒尺寸较小，缺陷密度较大，不利于光电转换效率的提高。以上两个因素限制了反型溶剂快速诱导钙钛矿结晶成膜技术制备大晶粒的钙钛矿薄膜，因此，上述技术还有待于改进和发展。

发明内容

为了解决上述现有技术制备的钙钛矿薄膜稳定性差、晶粒小缺陷密度大而不利于光电转换效率提高的问题，本发明提供一种钙钛矿薄膜的制备方法、钙钛矿薄膜及钙钛矿太阳能电池。

本发明所述钙钛矿薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1）、将钙钛矿溶液旋涂到具有半导体层的衬底的半导体层上，所述钙钛矿溶液的溶剂为二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）、γ-丁内酯（γ-GBL）中的一种或多种；

2）、在旋涂结束前滴入反型溶剂；

3）、在旋涂结束后，将衬底在压力为0.1-10Mpa的气体环境中在80-120℃下退火5-60分钟，制得钙钛矿薄膜。

在上述高压气体环境下进行退火，薄膜的晶粒尺寸得到有效的增大，缺陷密度有效降低，提高了薄膜的光电性能；此外，该高压气体环境下退火的薄膜的稳定性也得到了提高。

步骤1）中，所述钙钛矿溶液的浓度为1-1.5mol/L。

步骤1）中，所述衬底为FTO或者ITO透明电极，半导体层为TiO

步骤2）中，所述反型溶剂为异丙醇、乙醚、甲苯、氯仿中的一种或多种，反型溶剂的滴入是在旋涂结束前的5-15秒进行。

步骤3）中，气体为氮气、氩气、氦气、空气中的一种或多种。

步骤3）中，退火的升温速度为5-15℃/min。

本发明提供一种钙钛矿薄膜，其使用上述钙钛矿薄膜的制备方法制备而成。

本发明提供一种钙钛矿太阳能电池，其中包含上述钙钛矿薄膜。

有益效果：本发明在使用钙钛矿溶液制备成膜的过程中，使用了高压气体作为施压介质，并使薄膜在高压环境下进行退火，可以有效增大晶粒尺寸，减小缺陷密度，提高钙钛矿薄膜质量，提高薄膜的稳定性；还提高薄膜的光电性能，即提高钙钛矿太阳能电池的效率，其中器件性能参数中的填充因子以及短路电流都有明显提升。

附图说明

图1为本发明的钙钛矿薄膜的原子力显微镜图；

图2为本发明的钙钛矿薄膜的光致发光强度和薄膜平均晶粒大小的图；

图3为本发明的钙钛矿薄膜的j-v曲线图；

图4为使用本发明钙钛矿薄膜的电池器件各项参数图；

图5为本发明钙钛矿薄膜的x射线衍射图谱。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1

1）、首先将钙钛矿（CH

2）、然后在旋涂停止前10秒滴入作为反型溶剂的异丙醇和乙醚,异丙醇的体积分数为0.1%；

3）、在旋涂结束后，将衬底放置到高压管式炉（OTF-1200X-HP-55，合肥科晶材料技术有限公司，下同）中，然后充入氩气，使气压达到2MPa，然后按照10℃/min的升温速度加热到100℃，并维持30分钟，制成钙钛矿薄膜1。

使用钙钛矿薄膜1按常规方法制造钙钛矿太阳能电池1。

实施例2

1）、首先将钙钛矿溶液旋涂到FTO导电玻璃上的厚度为40nm的TiO

2）、然后在旋涂停止前10秒滴入作为反型溶剂的异丙醇和乙醚，异丙醇的体积分数为0.1%；

3）、在旋涂结束后，将衬底放置到高压管式炉中，然后充入氩气，使气压达到4MPa，然后按照10℃/min的升温速度加热到100℃，并维持30分钟，制成钙钛矿薄膜2。

使用钙钛矿薄膜2按常规方法制造钙钛矿太阳能电池2。

实施例3

1）、首先将钙钛矿溶液旋涂到FTO导电玻璃上的厚度为40nm的TiO

2）、然后在旋涂停止前10秒滴入作为反型溶剂的异丙醇和乙醚，异丙醇的体积分数为0.1%；

3）、在旋涂结束后，将衬底放置到高压管式炉中，然后充入氩气，使气压达到6MPa，然后按照10℃/min的升温速度加热到100℃，并维持30分钟，制成钙钛矿薄膜3。

使用钙钛矿薄膜3按常规方法制造钙钛矿太阳能电池3。

实施例4

1）、首先将钙钛矿溶液旋涂到FTO导电玻璃上的厚度为40nm的TiO

2）、然后在旋涂停止前10秒滴入作为反型溶剂的异丙醇和乙醚，异丙醇的体积分数为0.1%；

3）、在旋涂结束后，将衬底放置到高压管式炉中，然后充入氩气，使气压达到8MPa，然后按照10℃/min的升温速度加热到100℃，并维持30分钟，制成钙钛矿薄膜4。

使用钙钛矿薄膜4按常规方法制造钙钛矿太阳能电池4。

实施例5

1）、首先将钙钛矿溶液旋涂到FTO导电玻璃上的厚度为40nm的TiO

2）、然后在旋涂停止前10秒滴入作为反型溶剂的异丙醇和乙醚，异丙醇的体积分数为0.1%；

3）、在旋涂结束后，将衬底放置到高压管式炉中，然后充入氩气，使气压达到10MPa，然后按照10℃/min的升温速度加热到100℃，并维持30分钟，制成钙钛矿薄膜5。

使用钙钛矿薄膜5按常规方法制造钙钛矿太阳能电池5。

分别对上述实施例1、2、3、4和5制得的钙钛矿薄膜和钙钛矿太阳能电池进行性能测试。

测试条件：用3NTEGRA(NT-MDT)原子力显微镜拍摄薄膜的表面形貌，用LabRAM HREvolution (Horiba)光谱仪测试光致发光光谱，用Bruker （D8 ADVANCE）x射线衍射仪进行原位XRD测试。Newport Oriel Solar （3 A Class AAA, 94023 A）太阳模拟器模拟光照条件为AM 1.5G，1000 mW/cm

表1

图1为本发明的钙钛矿薄膜的原子力显微镜图。图中可以看到，在压力环境下退火的薄膜其表面晶粒尺寸比常规压力（0.1MPa）显著变大，这有利于电池器件的效率提升。

图2为本发明的钙钛矿薄膜的光致发光（PL）强度和薄膜平均晶粒大小的图。一般来说，光致发光强度越大意味着薄膜缺陷越少，由图可知，随着压力的变化，发光强度先增大后减小，在6MPa下达到极大值，而常规压力（0.1MPa）下最小。此外，薄膜平均晶粒尺寸也如图所示，其趋势与光致发光一致。

图3为本发明钙钛矿薄膜的j-v曲线图。该图表示出不同压力下退火的薄膜制备的太阳能电池的性能。由图可以看到在6MPa下的退火制备的太阳能电池具有最高的效率。

图4为使用本发明钙钛矿薄膜的电池器件各项参数图。该图表示不同压力下退火制备的太阳能电池的性能参数。

图5为本发明钙钛矿薄膜的x射线衍射图谱。该图表示在压力环境下退火，有机钙钛矿薄膜MAPbI

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。