太阳能电池用钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法技术

本发明专利技术公开了一种面向太阳能电池应用的有机金属卤化物钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法，其特征在于首先利用“溶剂配位‑反溶剂萃取”方法制备具有微纳结构界面的金属卤化物薄膜，然后利用该微纳结构界面诱导钙钛矿晶粒的快速转化和生长，制备出高质量钙钛矿薄膜和高性能太阳能电池。本发明专利技术所公开的“溶剂配位‑反溶剂萃取”方法中的配位溶剂由于具有对金属卤化物的强配位能力可以减缓其结晶速度，而反溶剂萃取则可以避免其自组织长大，使其快速沉积形成具有微纳结构界面的薄膜，从而极大地提高了有机卤化物分子向其内部扩散反应速率，实现钙钛矿的快速、完全转化。本发明专利技术所述方法不需要高温退火和真空技术，有利于降低制造成本。

Micro nano structure interface inducing growth method of perovskite film for solar cell

The invention discloses a method for solar cell applications of organic metal halide Perovskite Thin film micro nano structure interface induced growth method, which is characterized in that the first use of \solvent coordination anti solvent extraction preparation method of metal halide films with micro nano structure of the interface, and then use the rapid transformation and growth of the micro nano structure induced by interface perovskite, preparation of high quality and high performance of Perovskite Thin film solar cell. The present invention discloses the solvent coordination anti solvent extraction method in the ligand solvent due to its strong complexing ability of metal halide can slow the rate of crystallization, and anti solvent extraction can avoid the self organization grow up, make it fast deposited films with micro nano structure interface, thereby greatly to improve the organic halide molecule to the internal diffusion reaction rate, fast and complete conversion of perovskite. The method of the invention does not need high-temperature annealing and vacuum technology, and is favorable for reducing manufacturing cost.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电子材料与器件领域，具体涉及一种利用微纳结构界面诱导快速生长高相纯、高结晶质量有机金属卤化物钙钛矿薄膜的方法。
技术介绍
有机金属卤化物钙钛矿材料自2009年作为光吸收层应用到太阳能电池中以来，钙钛矿电池的能量转化效率世界纪录从3.8%迅速提高到20%以上，在解决日益严重的能源问题上展现出巨大的应用潜力。如此迅速的性能提升从根本上来讲是由于有机金属卤化物钙钛矿材料自身优异的光电性能，如直接带隙结构、光吸收系数大、载流子迁移率高和扩散长度大等。然而，生长以高物相纯度、高结晶性、形貌均一和高表面覆盖率等为主要特征的高质量钙钛矿薄膜被认为是制备包括高效率钙钛矿太阳能电池在内的高性能光电子器件的最重要前提。截止目前，已发展出多种钙钛矿薄膜的制备方法，如两步连续沉积法、一步法、真空蒸发等。其中，两步连续沉积方法因具有低成本和易操作等优势而成为目前最广泛采用的方法之一。该方法首先在全介孔异质结钙钛矿电池的制备中取得成功，但将其用于制备平面异质结和双层介孔异质结钙钛矿电池时，碘化铅不能快速完全转化成钙钛矿的问题出现，原因是由于碘化铅层或部分碘化铅层缺乏金属氧化物介孔结构的限制生长，致使其晶粒尺寸大且结晶致密，不利于其与甲胺碘分子的反应。尽管在残余碘化铅对钙钛矿电池性能有利或有害这一问题上目前尚存争议，但综合考虑钙钛矿电池制备与性能的可重复性和稳定性，实现碘化铅快速、完全地转化成高质量钙钛矿是非常重要的。为实现高相纯、高形貌均一的钙钛矿薄膜的制备，目前研究人员已提出了一些解决方法，如“layer-by-layer”方法（即通过真空蒸镀方法每沉积一薄层铅卤化物薄膜后立即与甲胺碘溶液反应形成钙钛矿，如此往复直至形成目标厚度的钙钛矿层），利用强配位溶剂与碘化铅形成无定型碘化铅前驱物法，连续真空沉积法，互扩散+溶剂退火方法，以及添加剂方法等。虽然这些方法均在不同程度上提高了碘化铅的转化速率和转化比率，但也存在工艺复杂、需要利用真空技术和（或）高温处理等问题。因此发展一种简单、快捷的高质量有机金属卤化物钙钛矿薄膜的制备方法将有助于该类电池的性能提升和大规模、低成本制造。
技术实现思路
本专利技术为解决目前平面异质结和双层介孔异质结钙钛矿电池制备过程中金属卤化物不能快速、完全转化为高相纯、高均一形貌钙钛矿的问题，提供一种面向太阳能电池应用的高质量有机金属卤化物钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法。本专利技术所述太阳能电池用钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法包括如下步骤：（1）将金属卤化物溶解在二甲基甲酰胺中，并添加与金属卤化物摩尔比为1:1-1:2的强配位溶剂，于60°C下进行搅拌，得到澄清、透明的金属卤化物前驱体溶液；所述金属卤化物前驱体溶液的浓度为0.5-1.5mol/L；（2）在1000-6000rpm转速下将金属卤化物前驱体溶液旋涂在柔性或非柔性基底上得到金属卤化物薄膜；（3）将50-500μL反溶剂滴到金属卤化物薄膜上并停留0-25s后，在1000-6000rpm转速下旋干，得到具有微纳结构界面的多孔结构金属卤化物薄膜；（4）将多孔结构金属卤化物薄膜浸入到有机卤化物分子的异丙醇溶液中，反应10s-500s后取出并用异丙醇冲洗，得到钙钛矿薄膜；（5）将所得钙钛矿薄膜在100°C下进行10min退火处理，制得高质量有机金属卤化物钙钛矿薄膜。所述金属有机卤化物钙钛矿结构式为ABX3，其中B为铅阳离子或铅与锡的混合阳离子，A为CH3NH3和NH2-CH=NH2中的至少一种，X为碘离子或者是碘离子与氯离子和/或溴离子的混合离子。步骤（1）-（4）中所述金属卤化物为MX2，其中M为铅阳离子或铅与锡的混合阳离子，X为碘离子或者是碘离子与氯离子和/或溴离子的混合离子。步骤（1）中所述金属卤化物的强配位溶剂为二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮等极性溶剂中的一种或多种。步骤（3）中所述反溶剂为氯苯或甲苯或乙醇或异丙醇或至少其中任意两种反溶剂的混合液。步骤（4）中所述有机卤化物分子为AX，其中A为CH3NH3和NH2-CH=NH2中的至少一种，X为碘离子或者是碘离子与氯离子和/或溴离子的混合离子。甲胺碘异丙醇溶液浓度为6mg/mL~20mg/mL，甲脒碘异丙醇溶液浓度为0.1mol/L~1mol/L。所述有机金属卤化物钙钛矿薄膜厚度为150nm~500nm。本专利技术所述太阳能电池用钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法主要机理如下：通过在金属卤化物溶液中添加强配位溶剂形成中间加成物，并通过反溶剂萃取，首先制备得到具有微纳结构界面的多孔金属卤化物薄膜，后利用该微纳结构界面诱导有机卤化物分子向金属卤化物晶格中的快速插入，实现有机金属卤化物钙钛矿的快速转化，从而制得高质量钙钛矿薄膜。本专利技术所公开的“溶剂配位-反溶剂萃取”方法中的配位溶剂由于具有对金属卤化物的强配位能力可以减缓其结晶速度，而反溶剂萃取则可以避免其自组织长大，使其快速沉积从而形成具有微纳结构界面的薄膜，从而可极大提高有机卤化物分子向其内部扩散反应速率，实现钙钛矿的快速、完全转化。本专利技术所提供的一种太阳能电池用钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法，可用于平面异质结和双层介孔异质结太阳能电池。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：金属卤化物快速转化成具有高相纯和高形貌均一性的钙钛矿薄膜是常规两步法面临的主要问题，本专利技术利用“溶剂配位-反溶剂萃取”方法制备具有微纳结构界面的金属卤化物薄膜，配位溶剂（如二甲基亚砜）由于具有对金属卤化物的强配位能力可以减缓其结晶速度，而反溶剂（如氯苯等）萃取则可以避免其自组织长大，使其快速沉积从而形成具有微纳结构界面的多孔金属卤化物薄膜，增大了金属卤化物薄膜的比表面积，可显著提高金属卤化物转换成钙钛矿的速率，改善钙钛矿薄膜质量。本专利技术所公开的钙钛矿薄膜制备方法可缩短钙钛矿转化时间，而且不需要高温退火和真空技术，有利于降低制造成本。附图说明图1（a）为采用传统方法所得碘化铅薄膜扫描电子显微镜（SEM）照片；（b）为采用传统方法所制备的甲胺铅碘钙钛矿薄膜的SEM照片；（c）为采用本专利技术方法所得碘化铅薄膜的SEM照片；（d）为采用本专利技术方法所制备甲胺铅碘钙钛矿薄膜的SEM照片。从图1可以看出，利用传统方法所得碘化铅薄膜比较致密，由其转化而成的钙钛矿薄膜形貌不均一，而利用本专利技术方法所得碘化铅薄膜为多孔结构，由其转化而成的钙钛矿薄膜形貌均一。图2（a）为传统制备方法中碘化铅薄膜转化为钙钛矿过程中的X射线衍射图谱；（b）为本专利技术方法中碘化铅薄膜转化为钙钛矿过程中的X射线衍射图谱。从图2可以看出，传统方法中碘化铅完全转化成钙钛矿的时间要远大于本专利技术所公开的方法。图3为分别基于利用传统方法和本专利技术所公开方法制备的甲胺铅碘钙钛矿薄膜的双层介孔异质结太阳能电池的性能比较。从图3可以看出，利用本专利技术所公开的方法制备的电池性能要远优于利用传统方法所制备的电池。具体实施方式一种太阳能电池用钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法，包括如下步骤：（1）将金属卤化物溶解在二甲基甲酰胺中，并添加与金属卤化物摩尔比为1:1-1:2的强配位溶剂（可选择1:1，1:1.5，1:2），于60°C下进行搅拌，得到澄清、透明的金属卤化物前驱体溶液；所述金属卤化物前驱体溶液的浓度为0.5-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能电池用钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将金属卤化物溶解在二甲基甲酰胺中，并添加与金属卤化物间的摩尔比为1:1‑1:2的强配位溶剂，于60°C下进行搅拌，得到澄清、透明的金属卤化物前驱体溶液；所述金属卤化物前驱体溶液的浓度为0.5‑1.5 mol/L；（2）在1000‑6000 rpm转速下将金属卤化物前驱体溶液旋涂在柔性或非柔性基底上得到金属卤化物薄膜；（3）将50‑500 μL反溶剂滴到金属卤化物薄膜上并停留0‑25s后，在1000‑6000rpm转速下旋干，得到具有微纳结构界面的多孔结构金属卤化物薄膜；（4）将多孔结构金属卤化物薄膜浸入到有机卤化物分子的异丙醇溶液中，反应10s‑500s后取出并用异丙醇冲洗，得到钙钛矿薄膜；（5）将所得钙钛矿薄膜在100°C下进行10min退火处理，制得高质量有机金属卤化物钙钛矿薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能电池用钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将金属卤化物溶解在二甲基甲酰胺中，并添加与金属卤化物间的摩尔比为1:1-1:2的强配位溶剂，于60°C下进行搅拌，得到澄清、透明的金属卤化物前驱体溶液；所述金属卤化物前驱体溶液的浓度为0.5-1.5mol/L；（2）在1000-6000rpm转速下将金属卤化物前驱体溶液旋涂在柔性或非柔性基底上得到金属卤化物薄膜；（3）将50-500μL反溶剂滴到金属卤化物薄膜上并停留0-25s后，在1000-6000rpm转速下旋干，得到具有微纳结构界面的多孔结构金属卤化物薄膜；（4）将多孔结构金属卤化物薄膜浸入到有机卤化物分子的异丙醇溶液中，反应10s-500s后取出并用异丙醇冲洗，得到钙钛矿薄膜；（5）将所得钙钛矿薄膜在100°C下进行10min退火处理，制得高质量有机金属卤化物钙钛矿薄膜。2.根据权利要求1所述的太阳能电池用钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法，其特征在于：所述金属有机卤化物钙钛矿结构式为ABX3，其中B为铅阳离子或铅与锡的混合阳离子，A为CH3NH3和NH2-CH=NH2中的至少一种，X为碘离子或者是碘离子与氯离子和/或溴离子的混合离子。3.根据权利要求1所述的太阳能电池用钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法，其特征在于，通过在金属卤化物溶液中添加强配位溶剂，并通过反溶剂萃取方法，首先制备得到具有微纳结构界面的多孔金...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟光美，张继涛，高文辉，张彩峰，邵智猛，梅伏洪，张建兵，杨永珍，刘旭光，许并社，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14