一种钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法及器件技术

本发明专利技术适用于太阳能电池技术领域，提供了一种钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法及器件，该方法包括：将有机金属卤化物ABX3单晶颗粒和有机卤化物AX固体粉末充分混合研磨成前驱体钙钛矿混合物；将前驱体钙钛矿混合物布满第一载流子传输层，使其液化并发生化学反应，形成液相钙钛矿薄膜；对液相钙钛矿薄膜进行加压、退火处理获得钙钛矿单晶薄膜；在钙钛矿单晶薄膜上表面依次制备第二载流子传输层和金属电极，制备成太阳能电池。本发明专利技术通过将单晶钙钛矿颗粒液化，并对液相钙钛矿进行处理获得钙钛矿单晶薄膜，有效缩短钙钛矿单晶薄膜的制备周期，简化制备工艺，从而缩短钙钛矿单晶薄膜太阳能电池的制备时间，实现钙钛矿混合物的重复利用，节约成本。

Perovskite single crystal thin film solar cell preparation method and device

The invention is applicable to the technical field of solar cells, and provides a preparation method and device for a perovskite single crystal thin film solar cell. The method comprises: fully mixing and grinding the organic metal halide ABX3 single crystal particles and the organic halide AX solid powder to form the precursor perovskite mixture; and distributing the precursor perovskite mixture. The liquid phase Perovskite Thin film was formed by the liquefaction of the first carrier transport layer and the chemical reaction. The liquid phase Perovskite Thin film was pressurized and annealed to obtain the perovskite single crystal thin film. The invention obtains perovskite single crystal film by liquefying single crystal perovskite particles and treating liquid perovskite, effectively shortens the preparation period of perovskite single crystal film, simplifies the preparation process, thus shortens the preparation time of perovskite single crystal film solar cell, realizes the reuse of perovskite mixture and saves money. Cost.

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法及器件
本专利技术属于太阳能电池
，尤其涉及一种钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法及器件。
技术介绍
由于煤炭、石油等传统化石能源的不可再生，日益短缺，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，应用广、无污染、可再生的太阳能受到各国的重视，太阳能电池发展迅速。2009年日本科学家Miyasaka首先将钙钛矿基半导体用于液态的敏化太阳电池中，取得了3.8％的光电转化效率，但由于电解液的腐蚀，电池效率衰减很快(J.Am.Chem.Soc.,2009,131,6050.)。随着研究的不断深入，钙钛矿太阳能电池效率进一步提高。多晶钙钛矿型太阳电池钙钛矿材料的制备已发展了多种制备方法，如一步或两步溶液涂膜法、真空蒸镀法、液气混合工艺等，主要基于提升材料吸收太阳光性能和改善电池器件的宏观性能来设计。但是由于多晶钙钛矿的晶界和与晶界相关的不可避免的缺陷以及稳定性差，钙钛矿太阳能电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)增长速率已经大大减缓。为了进一步提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率及稳定性，PSCs已经转向开发单晶钙钛矿材料。钙钛矿单晶薄膜的缺陷密度小，载流子复合几率低，扩宽光谱吸收范围，提高钙钛矿太阳能电池转换效率。Rao等(Chem.Commun.,2017,53,5163-5166.)采用单晶CH3NH3PbBr3薄膜利用空间受限的逆温结晶生长，报道的单晶PSCs中最高的光电转换效率为7.11％。Liu等(SciChinaChem.,2016,59(1):1–2.)将单晶块体切成单晶片，制备成单晶钙钛矿太阳能电池器件，电池效率约为4％。Zhao等(Sci.Bull.,2017,62(17),1173-1176.)直接在介孔TiO2衬底上自组装生长单晶钙钛矿CH3NH3PbI3，光电转换效率为8.78％。Huang等(Nat.Commun.,2017,8(1):1890.)利用钙钛矿单晶的带隙吸收缩小单晶的有效光学带隙而不改变其组成，通过疏水界面限制横向晶体生长的方法，光电转换效率为17.8％。Chen等(J.Am.Chem.Soc.,2016,138,16196-1619)采用二维限域诱导的方式用温和的溶液法制备出CH3NH3PbX3(X＝Cl,Br,I)钙钛矿单晶薄膜，目前报道的单晶钙钛矿薄膜生长周期长，制备工艺复杂，制约了大批量的生产。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法及器件，以解决现有技术中钙钛矿单晶薄膜生长周期长，制备工艺复杂，从而导致钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备周期长的问题。本专利技术实施例的第一方面提供了一种钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法，包括：将有机金属卤化物ABX3单晶颗粒和有机卤化物AX固体粉末充分混合，并研磨成粉末，制备成前驱体钙钛矿混合物；在具有透明导电层的基片上表面制备第一载流子传输层；在所述第一载流子传输层上表面放置钙钛矿薄膜模具，并将所述前驱体钙钛矿混合物均匀布满所述钙钛矿薄膜模具中；对所述前驱体钙钛矿混合物进行加热处理，使其液化并发生化学反应，制备成液相钙钛矿薄膜；将耐高温膜放到所述液相钙钛矿薄膜上表面，并对所述耐高温膜进行加压处理获得与所述钙钛矿薄膜模具深度相等的钙钛矿单晶薄膜；对所述钙钛矿单晶薄膜进行退火处理，自然冷却至室温，并取下钙钛矿薄膜模具；在所述钙钛矿单晶薄膜上表面依次制备第二载流子传输层和金属电极，制备成太阳能电池。可选的，所述有机金属卤化物ABX3单晶颗粒和有机卤化物AX固体粉末中，A代表甲胺阳离子CH3NH3+、甲脒阳离子HC(NH2)2+、铯离子Cs+、铷离子Rb+中的一种或多种混合阳离子；B代表锗离子Ge2+、锡离子Sn2+、铅离子Pb2+、镁离子Mg2+、铋离子Bi3+中一种或多种混合金属离子；X代表碘离子I-、溴离子Br-、氯离子Cl-中一种或多种混合卤族元素。可选的，所述在具有透明导电层的基片上表面制备成第一载流子传输层，包括：将无水乙醇与盐酸按摩尔比为500：1-50：1混合制备成第一前驱液；将无水乙醇与钛酸四异丙酯按摩尔比为100：1-20：1混合制备成第二前驱液；将所述第一前驱液和第二前驱液充分搅拌混合，制备成TiO2前驱液；将所述TiO2前驱液在透明导电层上以100-5000r/s的速度旋涂1-80s，并在100-500℃下退火1-24h，制备成第一载流子传输层。可选的，所述钙钛矿薄膜模具深度为500nm-300μm。可选的，所述加热处理的温度为50-600℃，所述前驱体钙钛矿混合物质量为0.001-100g。可选的，所述加压处理的压力为0-10000N，时间为0.1s-10h。可选的，所述退火处理的温度为-50℃-550℃，时间为0.1s-24h。可选的，所述透明导电层为掺杂氟的SnO2薄膜(FTO)、铟锡氧化物薄膜(ITO)或铝掺杂的氧化锌薄膜(AZO)。可选的，所述第一载流子传输层的材料为TiO2，SnO2，NiOn，Li/Na-NiOn，WOn，FeOn中一种或者多种组合，其中0≤n≤5；所述第二载流子传输层的材料为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴或聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺。本专利技术实施例的第二方面提供了一种钙钛矿单晶薄膜太阳能电池，包括依次连接的衬底、透明导电层、第一载流子传输层、钙钛矿单晶薄膜、第二载流子传输层和金属电极；所述衬底的材料为玻璃、云母、金属薄片或聚乙烯对苯二甲酯；所述金属电极的材料为Au、Cu或Ag。本专利技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本专利技术实施例通过将单晶钙钛矿颗粒液化，并对液相钙钛矿进行加压、退火处理，获得钙钛矿单晶薄膜，有效缩短了钙钛矿单晶薄膜的制备周期，简化制备工艺，从而缩短钙钛矿单晶薄膜太阳能电池的制备时间，并实现前驱体钙钛矿混合物的重复利用，节约了能源和成本。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例提供的钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法的实现流程示意图；图2是本专利技术实施例提供的钙钛矿单晶薄膜的扫描电镜电子背散射衍射菊池图；图3是本专利技术实施例提供的钙钛矿单晶薄膜太阳能电池的结构示意图；图4是本专利技术实施例提供的钙钛矿单晶薄膜太阳能电池的电流密度-电压曲线；图5是本专利技术实施例提供的钙钛矿多晶薄膜的扫描电镜图。图中，1、衬底，2、透明导电层，3、第一载流子传输层，4、钙钛矿单晶薄膜，5、第二载流子传输层，6、金属电极。具体实施方式以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本专利技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本专利技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本专利技术的描述。为了说明本专利技术所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。实施例一请参考图1，钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，包括：将有机金属卤化物ABX3单晶颗粒和有机卤化物AX固体粉末充分混合，并研磨成粉末，制备成前驱体钙钛矿混合物；在具有透明导电层的衬底上表面制备第一载流子传输层；在所述第一载流子传输层上表面放置钙钛矿薄膜模具，并将所述前驱体钙钛矿混合物均匀布满所述钙钛矿薄膜模具中；对所述前驱体钙钛矿混合物进行加热处理，使其液化并发生化学反应，制备成液相钙钛矿薄膜；将耐高温膜放到所述液相钙钛矿薄膜上表面，并对所述耐高温膜进行加压处理获得与所述钙钛矿薄膜模具深度相等的钙钛矿单晶薄膜；对所述钙钛矿单晶薄膜进行退火处理，自然冷却至室温，并取下钙钛矿薄膜模具；在所述钙钛矿单晶薄膜上表面依次制备第二载流子传输层和金属电极，制备成太阳能电池。

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，包括：将有机金属卤化物ABX3单晶颗粒和有机卤化物AX固体粉末充分混合，并研磨成粉末，制备成前驱体钙钛矿混合物；在具有透明导电层的衬底上表面制备第一载流子传输层；在所述第一载流子传输层上表面放置钙钛矿薄膜模具，并将所述前驱体钙钛矿混合物均匀布满所述钙钛矿薄膜模具中；对所述前驱体钙钛矿混合物进行加热处理，使其液化并发生化学反应，制备成液相钙钛矿薄膜；将耐高温膜放到所述液相钙钛矿薄膜上表面，并对所述耐高温膜进行加压处理获得与所述钙钛矿薄膜模具深度相等的钙钛矿单晶薄膜；对所述钙钛矿单晶薄膜进行退火处理，自然冷却至室温，并取下钙钛矿薄膜模具；在所述钙钛矿单晶薄膜上表面依次制备第二载流子传输层和金属电极，制备成太阳能电池。2.如权利要求1所述的钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，所述有机金属卤化物ABX3单晶颗粒和有机卤化物AX固体粉末中，A代表甲胺阳离子CH3NH3+、甲脒阳离子HC(NH2)2+、铯离子Cs+、铷离子Rb+中的一种或多种混合阳离子；B代表锗离子Ge2+、锡离子Sn2+、铅离子Pb2+、镁离子Mg2+、铋离子Bi3+中一种或多种混合金属离子；X代表碘离子I-、溴离子Br-、氯离子Cl-中一种或多种混合卤族元素。3.如权利要求1所述的钙钛矿单晶薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，所述在具有透明导电层的衬底上表面制备成第一载流子传输层，包括：将无水乙醇与盐酸按摩尔比为500：1-50：1混合制备成第一前驱液；将无水乙醇与钛酸四异丙酯按摩尔比为100：1-20：1混合制备成第二前驱液；将所述第一前驱液和第二前驱液充分搅拌混合，制备成TiO2前驱液；将...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晋津，张颖，李韶华，聂国权，刘金喜，欧云，孔国丽，张存，刘正浩，董晓琳，吴竞伟，王婕，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：河北,13