用于制造用于太阳能电池用途的钙钛矿膜的系统和方法技术方案

提供了一种用于制造用于太阳能电池应用的钙钛矿膜的系统和方法，该系统包括：壳体，其用作真空室；基板台，其联接至壳体的顶部；第一蒸发器单元，其联接至壳体的底部并且构造为生成BX2(金属卤化物材料)蒸汽；第二蒸发器单元，其联接至壳体并且构造为生成AX(有机材料)蒸汽；以及流动控制单元，其联接至壳体，用于控制AX蒸汽的循环。第一蒸发器单元的水平截面形状的尺寸、基板台的水平截面形状的尺寸以及两个水平截面形状之间沿水平方向的相对位置构造为最大化两个水平截面形状之间的重叠。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于制造用于太阳能电池用途的钙钛矿膜的系统和方法。
技术介绍
太阳能电池(还称为光伏电池)是一种电气设备，其通过使用呈现光伏效应的半导体将太阳能直接转换为电力。在全球安装容量方面，在水能和风能之后，现在太阳能光伏技术是第三最重要的可再生能源。这些太阳能电池的构造基于p-n结的构思，其中，来自太阳能辐射的光子转换成电子-空穴对。用于商用太阳能电池的半导体的例子包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉以及铜铟镓硒。当前报告的用于市售的电池的太阳能电池能量转换效率为14-22％左右。对于太阳能电池的商品化，高转换效率、长期稳定性以及低成本制造是重要的。基于该原因，为了替换常规太阳能电池半导体的目的，已经研究了多种材料。例如，使用有机半导体的太阳能电池技术相对较新，其中，这些电池能够从液体溶液处理，潜在地导致不昂贵、大规模生产。此外，有机材料、金属卤化物钙钛矿、CH3NH3PbX3，其中X＝Cl、Br、I或者它们的组合近来已经浮现，作为有前途的材料用于下一代高效率、低成本太阳能技术。此外，它们呈现能够革新设备结构的柔性属性，诸如叠层电池(例如PbX2、CH3NH3PbX3以及无Pb钙钛矿的组合)、梯度浓度电池以及其他高吞吐量结构。已经报告的是，这些合成钙钛矿呈现高电荷载流子迁移率以及寿命，允许光生成的电子和空穴移动到足够远以被作为电流提取，而不是由于电池内的热量而损失它们的能量。这些合成钙钛矿能够通过使用与用于有机太阳能电池相同的这些薄膜制造技术来制备，诸如溶液处理以及真空蒸发技术。但是，到目前为止，基于现有制造技术难以获得大面积高度均匀的钙钛矿膜，并且实际的钙钛矿基太阳能设备基本是不存在的。鉴于对低成本、高效以及稳定的太阳能电池不断增加的需要，描述了一种新的制造系统和方法，期望用于大规模生产，高度均匀的钙钛矿膜适用于太阳能电池应用。引用列表非专利文献非专利文献1：JulianBurschka等人，“顺序沉积作为高性能钙钛矿感光太阳能电池的途径”，《自然》，卷499、P316-320(2013)。非专利文献2：刘明振(MingzhenLiu)等人，“通过气相沉积的高效平面异质结的钙钛矿太阳能电池”，《自然》，卷000，P1-8(2013)。非专利文献3：刘佃仪(DianyiLiu)等人，“使用室温溶液处理技术制备的具有平面异质结结构的钙钛矿太阳能电池”，《自然光子》，卷8，P133-138(2014)。非专利文献4：OlgaMalinkiewicz等人，“采用有机充电传输层的钙钛矿太阳能电池”，《自然光子》，卷8，P128-132(2014)。非专利文献5：Nam-GyuPark，“面向20％效率低成本固态介观太阳能电池的有机金属钙钛矿光吸收剂”，《物理化学学报》，P2423-2429(2013)。
技术实现思路
根据本专利技术的方案，提供了一种通过使用源材料AX和BX2制造用于太阳能电池用途的钙钛矿膜的系统，其中，AX是有机材料，其具有从由铵(MA)、甲脒(FA)和5-氨基乙酰丙酸(5-AVA)构成的组中选择的有机元素A和从由Cl、ITO及Br构成的组中选择的卤族元素X，或者是两个或多个有机材料的组合；BX2是金属卤化物材料，其具有从由Pb和Sn构成的组中选择的金属元素B以及从由Cl、ITO及Br构成的组中选择的卤族元素X，或者是两个或多个金属卤化物材料的组合，系统包括：壳体，其用作真空室，壳体具有沿着垂直方向的侧部以及具有沿着水平方向的顶部和底部；基板台，其联接至壳体的顶部并且构造为具有面向垂直向下的台表面，台表面上供放置基板；第一蒸发器单元，其联接至壳体的底部并且构造为生成BX2蒸汽；第二蒸发器单元，其联接至壳体并且构造为生成AX蒸汽；以及流动控制单元，其联接至壳体，用于控制AX蒸汽在壳体中的循环，其中，第一蒸发器单元的水平截面形状的尺寸，基板台的水平截面形状的尺寸以及两个水平截面形状之间沿水平方向的相对位置构造为使两个水平截面形状之间的重叠最大化。附图说明[图1]图1图示了根据实施例用于制造钙钛矿膜的系统构造的例子。[图2]图2图示了从下方相对于由图1的X-X’指示的截面的垂直视图。[图3]图3图示了从上方相对于由图1的Y-Y’指示的截面的垂直视图。[图4]图4A和图4B图示了图1中的系统的第二蒸发器单元124的例子。[图5]图5A至图5C图示了图1中的系统的第一蒸发器单元120的例子。[图6]图6A和图6B图示了图1中的系统的流动控制单元128的例子。[图7]图7图示了根据实施例用于制造钙钛矿膜的系统构造的另一例子。[图8]图8图示了图7的系统的第二蒸发器单元的第三例子的侧视图。[图9]图9是图示出使用图示于图1或者图7的本系统的钙钛矿膜的制造方法的流程图。[图10]图10示意地图示了根据本系统和方法的沉积机构。[图11]图11A至图11D图示了包括负荷锁定室的系统构造的序列。[图12]图12是图示出使用包括负荷锁定室的本系统的钙钛矿膜的制造方法的流程图。[图13]图13是J-V曲线绘图，代表太阳能电池的光伏设备特性，包括通过本制造系统和方法生长的氯化碘钙钛矿膜、CH3NH3PbI3-XClX。[图14]图14是绘图，示出厚度为～50nm的CH3NH3PbI3-XClX膜的X射线衍射(XRD)谱。[图15]图15是绘图，示出在12个不同位置测量的～135nm厚度的CH3NH3PbI3-XClX膜的X射线衍射(XRD)谱，其生长在具有5cm′5cm表面积的铟锡氧化物(ITO)/玻璃基板上。[图16]图16是照片，示出生长在ITO/玻璃基板上的具有～50nm厚度的CH3NH3PbI3-XClX膜的原子力显微镜(AFM)图像。[图17]图17是绘图，示出具有～135nm厚度的CH3NH3PbI3-XClX膜的光学吸收。[图18]图18示出了包括分别具有～50nm厚度以及～135nm厚度的CH3NH3PbI3-XClX膜的实际设备的照片。具体实施方式鉴于不断增加对低成本、高效以及稳定的太阳能电池的需要，本文献描述了一种新的制造系统和方法，用于生产适用于太阳能电池用途的高结晶度、大尺寸、大致均匀的钙钛矿膜。本制造方法的特征为，作为化学气相沉积以及物理气相沉积技术的混合，其中，蒸汽源以及真空室中的关联部分构造为通过利用每个源材料的材料特性来优化沉积质量。此处，第一类源材料包括金属卤化物材料，诸如PbCl2、PbBr2、PbI2、SnCl2、SnBr2、SnI2等；第二类源材料包括：铵(MA＝CH3NH3+)化合物，诸如MACl、MABr、MAI等；甲脒(FA＝HC(NH2)2+)化合物，诸如FACl、FABr、FAI等；以及5-氨基乙酰丙酸(5-AVA)。(例如，见《科学》345，295-298(2014)；《自然》517，476-480(2015))。金属卤化物钙钛矿结构是正斜方晶结构，其具有普通ABX3结构作为晶胞，其中，有机元素MA、FA或者5-AVA-占据部位A；金属元素Pb2+或者Sn2+占据部位B；以及卤族元素Cl-、I-或者Br-占据部位X。在该文献中，AX代表有机材料，其具有从由MA、FA和5-AVA构成的组中选择的有机元素A，和从由Cl、ITO及Br构成的组中选择的卤族元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过使用源材料AX和BX2制造用于太阳能电池用途的钙钛矿膜的系统，其中，AX是有机材料，该有机材料具有从由甲铵(MA)、甲脒(FA)和5‑氨基戊酸(5‑AVA)构成的组中选择的有机元素A和从由Cl、I及Br构成的组中选择的卤族元素X，或者具有两种或更多种有机材料的组合；BX2是金属卤化物材料，该金属卤化物材料具有从由Pb和Sn构成的组中选择的金属元素B以及从由Cl、I及Br构成的组中选择的卤族元素X，或者具有两种或更多种金属卤化物材料的组合，所述系统包括：壳体，所述壳体用作真空室，所述壳体具有沿着垂直方向的侧部以及具有沿着水平方向的顶部和底部；基板台，所述基板台联接至所述壳体的所述顶部并且构造为具有面向垂直向下的台表面，所述台表面用于供放置基板；第一蒸发器单元，所述第一蒸发器单元联接至所述壳体的所述底部并且构造为生成BX2蒸汽；第二蒸发器单元，所述第二蒸发器单元联接至所述壳体并且构造为生成AX蒸汽；以及流动控制单元，所述流动控制单元联接至所述壳体，用于控制AX蒸汽在所述壳体中的循环，其中，所述第一蒸发器单元的水平截面形状的尺寸、所述基板台的水平截面形状的尺寸以及两个所述水平截面形状之间沿水平方向的相对位置被构造为使两个所述水平截面形状之间的重叠最大化。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.05 US 61/988,5471.一种通过使用源材料AX和BX2制造用于太阳能电池用途的钙钛矿膜的系统，其中，AX是有机材料，该有机材料具有从由甲铵(MA)、甲脒(FA)和5-氨基戊酸(5-AVA)构成的组中选择的有机元素A和从由Cl、I及Br构成的组中选择的卤族元素X，或者具有两种或更多种有机材料的组合；BX2是金属卤化物材料，该金属卤化物材料具有从由Pb和Sn构成的组中选择的金属元素B以及从由Cl、I及Br构成的组中选择的卤族元素X，或者具有两种或更多种金属卤化物材料的组合，所述系统包括：壳体，所述壳体用作真空室，所述壳体具有沿着垂直方向的侧部以及具有沿着水平方向的顶部和底部；基板台，所述基板台联接至所述壳体的所述顶部并且构造为具有面向垂直向下的台表面，所述台表面用于供放置基板；第一蒸发器单元，所述第一蒸发器单元联接至所述壳体的所述底部并且构造为生成BX2蒸汽；第二蒸发器单元，所述第二蒸发器单元联接至所述壳体并且构造为生成AX蒸汽；以及流动控制单元，所述流动控制单元联接至所述壳体，用于控制AX蒸汽在所述壳体中的循环，其中，所述第一蒸发器单元的水平截面形状的尺寸、所述基板台的水平截面形状的尺寸以及两个所述水平截面形状之间沿水平方向的相对位置被构造为使两个所述水平截面形状之间的重叠最大化。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基板台的所述台表面被构造为具有用于收纳基板的区域，所述基板具有的尺寸为5cm′5cm或者更大，其中，所述基板是一件式基板或者是多个基板的集合。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基板台、所述第一蒸发器单元、所述第二蒸发器单元和所述流动控制单元被构造为能够使BX2蒸汽的沉积顺着从所述第一蒸发器单元到所述基板的可视传送而基本具有方向性，同时能够使AX的沉积基于在所述壳体中循环的AX蒸汽而基本不具有方向性。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流动控制单元被构造为控制AX蒸汽的循环以生成在所述基板上大致均匀的AX蒸汽的流动。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流动控制单元包括风扇系统、泵系统或者它们的组合。6.根据权利要求1所述的系统，该系统进一步包括：第一遮蔽器，所述第一遮蔽器设置在所述基板台下方，并且构造为被移动以暴露或者覆盖所述基板台以控制BX2蒸汽在所述基板上的沉积；以及第二遮蔽器，所述第二遮蔽器设置在所述第一蒸发器单元上方，并且构造为被移动以暴露或者覆盖所述第一蒸发器单元以控制BX2蒸汽的流动。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基板台的温度被控制以在-190℃至200℃之间的范围中向所述基板提供均匀的冷却或者加热。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述基板台的温度被控制为使所述基板处于15℃至25℃之间的范围的室温下。9.根据权利要求1所述的系统，其中，控制与所述第一蒸发器单元关联的第一蒸发温度以调节用于生成BX2蒸汽的第一蒸发率。10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一蒸发器单元包括：容器，所述容器用于容纳呈粉末形式的BX2；以及加热元件，所述加热元件被构造为均匀地加热所述容器，其中，控制所述加热元件以提供所述第一蒸发温度以调节用于生成BX2蒸汽的第一蒸发率。11.根据权利要求1所述的系统，其中，控制与所述第二蒸发器单元关联的第二蒸发温度以调节用于生成AX蒸汽的第二蒸发率。12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第二蒸发器单元包括：容器，所述容器用于包含呈粉末形式的AX；以及加热元件，所述加热元件构造为均匀地加热所述容器，其中，控制所述加热元件以提供所述第二蒸发温度以调节用于生成AX蒸汽的第二蒸发率。13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二蒸发器单元联接至所述壳体的所述侧部。14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二蒸发器单元联接至所述壳体的所述底部。15.根据权利要求14所述的系统，该系统进一步包括：防护件，所述防护件位于所述第一蒸发器单元和所述第二蒸发单元之间以降低它们之间的热干涉。16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二蒸发器单元包括阀或者蒸发器遮蔽器，用于控制离开所述第二蒸发器单元的AX蒸汽的流量。17.根据权利要求1所述的系统，该系统进一步包括：闸阀，所述闸阀联接在泵单元和所述壳体之间，用于将所述壳体内部的压力控制为一值，所述值针对所述源材料之间的化学反应以及针对所述源材料的有效使用是优化的。18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述闸阀被构造为至少采取第一位置和第二位置，其中，所述第一位置用于控制AX蒸汽压力以稳定AX蒸汽的循环，所述第二位置用于在沉积完成之后从所述壳体泵出剩余蒸汽。19.根据权利要求1所述的系统，该系统进一步包括：第一监控器，所述第一监控器用于监控BX2蒸汽以及在所述基板上生长的钙钛矿膜的厚度。20.根据权利要求1所述的系统，该系统进一步包括：第二监控器，所述第二监控器用于监控AX蒸汽。21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述壳体的温度被保持在大约70℃。22.根据权利要求1所述的系统，该系统进一步包括：第二壳体，所述第二壳体用作负荷锁定室；第二闸阀，所述第二闸阀联接在第二泵单元和所述第二壳体之间，所述第二闸阀和所述第二泵被构造为用于控制所述第二壳体内部的压力；第三闸阀，所述第三闸阀联接在所述壳体和所述第二壳体之间，用于控制所述壳体和所述第二壳体之间的连通；以及样本传送系统，所述样本传送系统联接至所述壳体，用于在所述壳体和所述第二壳体之间传送所述基板。23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述样本传送系统包括：机械设备，所述机械设备用于保持以及释放对象物；以及杆，所述杆联接至所述机械设备，用于控制所...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚亚冰，大野路易斯胜也，王生浩，
申请(专利权)人：学校法人冲绳科学技术大学院大学学园，
类型：发明
国别省市：日本;JP