一种高质量钙钛矿薄膜、太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高质量钙钛矿薄膜、太阳能电池及其制备方法。所述方法结合溶剂浸泡辅助结晶，并且利用水和有机溶剂混合蒸汽辅助烘烤来制备高质量有机无机复合钙钛矿薄膜。所述方法制备得到结晶性好、大范围内均一、平整、无缺陷并无孔洞的高质量钙钛矿薄膜。所述制备方法操作简单，可操作性与可控性强，并且非常适合大面积钙钛矿薄膜太阳能电池的制备，因此在太阳能电池领域或其它科学领域具有巨大的潜在应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能电池
，具体涉及一种高质量有机无机复合钙钛矿薄膜、以其作为吸光层的薄膜太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
目前，面对日益严重的环境污染和能源危机，太阳能作为一种可再生的清洁能源，已在全球范围内得到广泛关注。基于光生伏打效应的太阳能电池是实现太阳能转换成电能的有效单元。近几年来，一种基于有机无机杂化的钙钛矿材料因其较强的光吸收能力和载流子传输能力被应用到了太阳能电池领域。自2009年,Miyasaka等人发现甲胺插层的卤化铅可以作为染料敏化太阳能电池的吸光材料,并在液结器件中获得了3.8％的光电转换效率，直到现在KRICT研究所已经制备出转换效率为20.2％的钙钛矿太阳能电池。随着大量研究的开展，钙钛矿结构太阳能电池的市场价值将很有可能超过硅晶电池的发展。作为太阳能电池的吸光层，钙钛矿型材料典型结构分子式为ABX3，其中A为CH3NH3+，CH3CH2NH3+，NH2CH＝NH2+等，B为Pb2+、Sn2+等，X为卤素离子。基于这种结构的材料，具有原料丰富、价格低廉、易合成等优点。由于钙钛矿型材料具有良好的结晶性，因此在得到高质量钙钛矿晶体颗粒的同时，如何制备均匀吸光层薄膜，成了提高器件整体性能的一个关键因素。钙钛矿薄膜可以采用多种方法进行制备,较为常见的有一步溶液法(简称一步法)、两步溶液法(简称两步法)、双源蒸汽法以及溶液-气相沉积法等。一步法是目前应用最广泛的制备方法，目前采用一步法制备的电池最高效率达20.1％，但传统的一步法可控性较差，不利于制备大面积薄膜。在2013年，Gratzel等人第一次将两步法引入到钙钛矿太阳电池的制备中，与一步法相比，两步法能够更好的控制薄膜的表面形貌，但由于存在原料转换不完全的问题，会对器件的性能造成影响。Snaith等人采用双源共蒸发的方法(即双源蒸汽法)来制备钙钛矿薄膜，得到了一种新型的平面异质结型钙钛矿太阳能电池，与溶液法制备所得的薄膜相比，采用蒸汽法制备的钙钛矿薄膜表面更加均匀，但与此同时也增加了工艺制造成本。因此，为了能使钙钛矿结构的太阳能电池有一定的市场竞争性，就需要开发一种成膜质量高、可控性强、低成本的工艺，从而对大规模生产太阳能电池组件有重大意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结合溶剂浸泡辅助结晶，并且利用水和有机溶剂混合蒸汽辅助烘烤来制备高质量有机无机复合钙钛矿薄膜的方法。本专利技术的方法制备得到的高质量钙钛矿薄膜，可用于高效率钙钛矿薄膜太阳能电池的吸光层，并且所得电池的转化效率优于不使用所述制备方法所制备的电池的效率。本专利技术的制备方法简单、成本低，能耗小，操作便利，适合太阳能电池的大规模工业生产应用。本专利技术所提供的制备有机无机复合钙钛矿薄膜的方法，包括如下步骤：(1)使用钙钛矿型材料的前驱体溶液制备钙钛矿前驱体薄膜；(2)将所述钙钛矿前驱体薄膜浸泡在第一溶剂中以萃取出前驱体薄膜中残留的前驱体溶剂；(3)将萃取后的所述钙钛矿前驱体薄膜在水和有机溶剂的混合蒸汽气氛下烘烤，得到本专利技术的有机无机复合钙钛矿薄膜。本专利技术制备的有机无机复合钙钛矿薄膜的结晶性好、大范围内均一、平整、无缺陷并无孔洞，具有高质量的品质。上述的制备方法中，所述钙钛矿型材料包括，但不局限于ABX3型有机无机复合的钙钛矿材料，其中，A可为CH3NH3+，CH3CH2NH3+，NH2CH＝NH2+等，优选CH3NH3+；B可为Pb2+，Sn2+，Ge2+等；X可选自Cl-，Br-，I-，优选I-。上述的制备方法中，步骤(1)中，所述薄膜制备方法可为旋涂、刮涂、辊涂、喷涂、打印等常见薄膜制备方法，优选旋涂；所述钙钛矿前驱体溶液的浓度为20wt％～65wt％，优选45wt％～55wt％。上述的制备方法中，步骤(2)中，所述第一溶剂为不溶解钙钛矿型材料的前驱体材料但与前驱体溶剂有较好相溶性的溶剂，包括，但不局限于氯苯、二氯苯、甲苯、二氯甲烷、氯仿、乙醚、二甲醚等，以及它们的混合溶剂，优选氯苯、乙醚或二者的混合物；所述浸泡时间可为5s～300s，优选80s～150s。上述的制备方法中，步骤(3)中，所述有机溶剂为可以溶解上述前驱体材料的有机溶剂，包括但不局限于γ-丁内酯(GBL)、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)等，以及它们的混合溶剂；所述水与所述有机溶剂的体积比可为但不局限于(0～20):100但不为零，优选(0.5～10):100，最优选2:100；所述烘烤温度为60℃～120℃，优选100℃；所述烘烤时间为5～60分钟，优选10分钟。本专利技术还提供由上述方法所制备的有机无机复合钙钛矿薄膜，所述薄膜厚度可为50纳米至2微米，优选100纳米至1微米，还优选200纳米至500纳米，最优选250纳米至350纳米。上述薄膜中，钙钛矿晶粒致密排列且颗粒大小均匀，晶粒本身结晶性好，具有较高的完整度，XY平面上的粒径尺寸约为3-5微米。本专利技术所述的制备有机无机复合钙钛矿薄膜的方法可用于制备钙钛矿薄膜太阳能电池的吸光层，所得钙钛矿薄膜电池的转化效率优于不使用所述制备方法所制备的电池的效率。具体而言，本专利技术提供一种钙钛矿薄膜太阳能电池的吸光层的制备方法，所述吸光层通过本专利技术上述的制备有机无机复合钙钛矿薄膜的方法制得。本专利技术还提供一种钙钛矿薄膜太阳能电池，所述电池中的吸光层采用本发明上述的制备有机无机复合钙钛矿薄膜的方法制备得到。本专利技术进一步提供一种钙钛矿薄膜太阳能电池，其吸光层为上述的有机无机复合钙钛矿薄膜。上述钙钛矿薄膜太阳能电池可以是平面结构或者介孔结构的钙钛矿薄膜太阳能电池。上述平面结构钙钛矿薄膜太阳能电池由导电基底、致密电子传输层、所述的有机无机复合钙钛矿薄膜吸光层、空穴传输层和顶电极顺序组成。所述导电基底可为在透明衬底(例如玻璃和柔性塑料等)上覆盖有常见透明电极材料层(例如氧化氟锡(FTO)、氧化铟锡(ITO)等)的基底。所述致密电子传输层可为太阳能电池中使用的常见金属氧化物层，例如二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、二氧化锆(ZrO2)等。所述致密二氧化钛层为通过常用方法制备的由二氧化钛纳米颗粒组成的薄层，其厚度为50纳米至100纳米，优选60-90纳米，更优选优选80纳米至90纳米。所述钙钛矿薄膜吸光层为通过上述本专利技术公开方法所制备的有机无机复合的钙钛矿薄膜。所述空穴传输层可为太阳能电池中的常见空穴传输层，包括但不局限于2,2'本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备有机无机复合钙钛矿薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)使用钙钛矿型材料的前驱体溶液制备钙钛矿前驱体薄膜；(2)将所述钙钛矿前驱体薄膜浸泡在第一溶剂中以萃取出前驱体薄膜中残留的前驱体溶剂；(3)将萃取后的所述钙钛矿前驱体薄膜在水和有机溶剂的混合蒸汽气氛下烘烤，得到本专利技术的有机无机复合钙钛矿薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种制备有机无机复合钙钛矿薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括
如下步骤：
(1)使用钙钛矿型材料的前驱体溶液制备钙钛矿前驱体薄膜；
(2)将所述钙钛矿前驱体薄膜浸泡在第一溶剂中以萃取出前驱体薄膜中残
留的前驱体溶剂；
(3)将萃取后的所述钙钛矿前驱体薄膜在水和有机溶剂的混合蒸汽气氛下
烘烤，得到本发明的有机无机复合钙钛矿薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钙钛矿型材料包括，但
不局限于ABX3型有机无机复合的钙钛矿材料，其中，A可为CH3NH3+，
CH3CH2NH3+，NH2CH＝NH2+等，优选CH3NH3+；B可为Pb2+，Sn2+，Ge2+等；
X可选自Cl-，Br-，I-，优选I-。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述薄
膜制备方法可为旋涂、刮涂、辊涂、喷涂、打印等常见薄膜制备方法，优选旋
涂；所述钙钛矿前驱体溶液的浓度为20wt％～65wt％，优选45wt％～55wt％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述
第一溶剂为不溶解钙钛矿型材料的前驱体材料但与前驱体溶剂有较好相溶性的
溶剂，包括，但不局限于氯苯、二氯苯、甲苯、二氯甲烷、氯仿、乙醚、二甲
醚等，以及它们的混合溶剂，优选氯苯、乙醚或二者的混合物；所述浸泡时间
可为5s～300s，优选80s～150s。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡劲松，葛倩庆，丁捷，刘杰，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11