曲面有机铵金属卤化物薄膜、制备方法、太阳能电池及应用技术

本发明专利技术提供了一种曲面有机铵金属卤化物薄膜、制备方法、太阳能电池及应用，属于光电材料领域，首先使用物理气相沉积法制备金属卤化物曲面基底，后用极性非质子溶剂熏蒸处理物理气相沉积法制备的金属卤化物曲面基底，最后通过利用近距离升华方法结合固

【技术实现步骤摘要】
曲面有机铵金属卤化物薄膜、制备方法、太阳能电池及应用


[0001]本专利技术属于光电材料领域，具体而言，涉及一种曲面有机铵金属卤化物薄膜、制备方法、太阳能电池及应用。尤其涉及一种曲面有机铵金属卤化物钙钛矿薄膜的制备方法。

技术介绍

[0002]太阳能作为清洁能源在世界各地都有较大范围的推广应用，例如光伏电站、光伏建筑一体化(BIPV)、交通工具、可穿戴设备等。钙钛矿薄膜太阳能电池近年来飞速发展，目前单结钙钛矿太阳能电池最高光电转换效率已经超过25％。
[0003]钙钛矿薄膜的制备方法包括溶液法和气相法两大类。溶液法是指通过旋涂、刮涂等技术将包含钙钛矿材料的前驱液制成纳米薄膜，具有工艺快速的特点。但是溶液法仅限于在平面衬底上制备钙钛矿薄膜，对于曲面衬底溶液法则不再适用，且溶液法过程中使用了挥发性的有机溶剂，对环境有害。
[0004]双/多源共蒸物理气相沉积(PVD)法，是一种一步气相法，是在同一个腔体中，采用多个蒸发源，同时蒸镀有机物和无机物的方式制备均匀致密的钙钛矿薄膜的一种方法。Snaith等人采用双源共蒸的方法制备MAPbI3钙钛矿，取得15.4％的效率。但是有机铵卤化物在高真空度中难以标定其蒸镀速率且严重污染镀膜腔体，因而改法不适合大规模应用。一步CVD法是在管式炉中将无机物和有机物通过惰性气体运输到衬底上，最后加热得到钙钛矿薄膜，该方法由于有机盐和无机盐与衬底距离不同，不能精确控制化学计量比，制备的薄膜存在较多缺陷。先制备金属卤化物薄膜，之后通过将其与有机铵卤化物反应得到钙钛矿薄膜是两步气相法。杨阳团队率先采用气相辅助溶液法(VASP，一般包括旋涂
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CVD两步)制备了MAPbI3钙钛矿。他们使用旋涂的方法制备碘化铅前驱膜，之后碘化铅与MAI的蒸汽在培养皿中反应生成MAPbI3，反式器件取得了12.1％的效率。戴松元团队将旋涂的碘化铅薄膜退火后使用DMSO处理其表面促进MAI扩散。该类旋涂
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CVD方法使用旋涂法制备碘化铅薄膜，而旋涂的碘化铅表面由杂乱无章的纳米颗粒构成，这与蒸镀的碘化铅大不相同。蒸镀的碘化铅的表面由定向倾斜的片状纳米颗粒构成，致密性较大，不利于有机盐的扩散。已报道的两步气相法中，PVD
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CVD法或PVD
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浸泡法较为广泛，是指先利用PVD制备一层卤化铅前驱膜，之后用CVD或浸泡法将其转化为钙钛矿。李美成团队将溅射的PbO浸泡到异丙醇溶解的MAI中，该方法可以在曲面衬底上制备钙钛矿薄膜，但是溅射需要精确控制Ar/O2比，且制备的钙钛矿薄膜表面非常粗糙，不利于制备薄膜钙钛矿光电器件。Bolink通过旋涂MACl、MABr以及两者的混合物来促进有机铵卤化物在蒸镀碘化铅薄膜中的扩散，从而有效地将其转化为钙钛矿层。但是该方法同样使用了旋涂工艺，不利于大面积制备。戚亚冰团队首先通过热蒸镀的方法制备PbCl2，之后将PbCl2放入管式炉中，在另一侧放置MAI固体粉末，在加热条件下MAI变为气体，通过N2将MAI气体载带到PbCl2上，反应生成钙钛矿，最终实现了11.8％的效率。然而，该气体载带方法会导致更接近蒸发源的金属卤化物将沉积过量MAI，与已生成的钙钛矿发生副反应，破坏钙钛矿结晶，而远离蒸发源的金属卤化物则可能反应不充分。前述方法均难以在大面积曲面衬底上制备均匀的高质量钙钛矿薄膜。
[0005]综上，现有技术中主要存在以下弊端：1、溶液法不适合在曲面衬底上制备金属卤化物钙钛矿薄膜，且大量使用挥发性的有害有机溶剂；2、一步气相法需要高真空度且严重污染腔体；3、蒸镀的卤化铅薄膜的表面由堆叠纳米片构成，如果直接发生PVD
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CVD反应，由于表面致密度过高，导致蒸镀的卤化铅向钙钛矿相的转化率低，无法得到厚度超过500nm的转化完全的钙钛矿薄膜；4、两步气相法中的有机卤化物单源蒸发源不适合大面积曲面衬底钙钛矿的制备。

技术实现思路

[0006]针对上述不足，本专利技术提供一种曲面有机铵金属卤化物薄膜、制备方法、太阳能电池及应用，通过以下技术方案实现的：
[0007]一种曲面有机铵金属卤化物薄膜的制备方法使用两步气相法制备出转化率高、缺陷密度低的曲面有机铵金属卤化物钙钛矿薄膜。所述制备方法包括：
[0008]步骤一，在预清洗过的不同曲率曲面基底上采用多源蒸发法蒸镀与曲面共形的金属卤化物薄膜；
[0009]步骤二，使用极性非质子溶剂熏蒸金属卤化物薄膜样品，得到表面熏蒸的金属卤化络合物薄膜；
[0010]步骤三，将表面熏蒸的金属卤化物薄膜样品与有机铵卤化物粉末共同置于两步法装置中进行反应。有机铵卤化物采用热喷涂方法涂敷在与薄膜具有相同曲率的透明曲面加热上基板上，朝向下基板。表面熏蒸的金属卤化物置于与薄膜具有相同曲率的下基板上，朝向上基板。首先进行升华阶段，在下基板不加热的条件下，阶梯升温方法加热上基板至110～130℃，有机铵卤化物均匀沉积在曲面薄膜上，至薄膜表面由于沉积的有机铵卤化物对可见光的折射而出现彩色为止。然后上下基板同时加热，将曲面薄膜和所述有机铵卤化物粉末共同加热至110～130℃进行反应30～50分钟，进行晶粒形核生长阶段；
[0011]可替代的，步骤(三)还可以采用以下方法：
[0012]将表面熏蒸的金属卤化物薄膜样品的曲面基底与有机铵卤化物粉末共同置于两步法装置中进行反应，首先进行升华阶段，在致密金属卤化物薄膜曲面衬底不加热的情况下，曲率相同的透明曲面有机铵卤化物蒸发源将有机铵卤化物粉末加热，沉积在带有致密金属卤化物薄膜样品的曲面基底上，然后进行晶粒形核生长阶段，将所述致密金属卤化物曲面薄膜和所述有机铵卤化物粉末共同加热至110～130℃进行反应；
[0013]步骤四，反应结束后停止加热，取出制备成功的曲面有机铵金属卤化物薄膜。
[0014]优选的，所述步骤一中，金属卤化物为氯化铅、溴化铅、碘化铅、氯化锡、溴化锡和碘化锡等中的一种或多种的混合。所述步骤一中蒸镀的金属卤化物致密性高，利用已有两步法无法实现向有机铵金属卤化物的完全转化。
[0015]进一步地，在所述步骤二中，非极性质子溶剂最优选为1,3
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二甲基
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咪唑啉酮(DMI)溶剂。
[0016]进一步地，在所述步骤二中，曲面金属卤化物厚度不同，非极性质子溶剂蒸汽熏蒸时间为2～3min。
[0017]进一步地，在所述步骤二中，曲面金属卤化物厚度不同，非极性质子溶剂蒸汽熏蒸温度为35～40℃或35℃～38℃。所述的DMI溶剂熏蒸后曲面金属卤化物薄膜的热稳定性高、
空气稳定高和络合反应程度适中。
[0018]进一步地，所述步骤二中，消除金属卤化物的表面纳米结构各向异性，并成功地促进有机铵卤化物向底部金属卤化物的扩散。
[0019]优选的，所述步骤三中有机铵卤化物为氯甲铵、氯甲脒盐、溴甲铵、溴甲脒盐、碘甲铵、碘甲脒盐和碘二甲铵等中的一种或多种的混合。
[0020]进一步地，所述步骤四中制备得到的曲面有机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种曲面有机铵金属卤化物薄膜的制备方法，其特征在于：所述曲面有机铵金属卤化物薄膜的制备方法采用熏蒸辅助两步气相沉积法制备所述有机铵金属卤化物薄膜，具体包括：步骤一，在预清洗过的不同曲率曲面基底上采用多源蒸发法蒸镀与曲面共形的金属卤化物薄膜；步骤二，使用极性非质子溶剂熏蒸金属卤化物薄膜样品，得到表面熏蒸的金属卤化络合物薄膜；步骤三，将表面熏蒸的金属卤化物薄膜样品与有机铵卤化物粉末共同置于两步法装置中进行反应；有机铵卤化物喷涂于与薄膜具有相同曲率的透明曲面上基板，表面熏蒸的金属卤化物置于与薄膜具有相同曲率的下基板；再进行升华阶段，在下基板不加热的条件下，加热上基板，有机铵卤化物沉积在曲面薄膜上；然后将曲面薄膜和所述有机铵卤化物粉末共同加热至110～130℃进行反应，进行晶粒形核生长阶段；步骤四，反应结束后停止加热，取出制备成功的曲面有机铵金属卤化物薄膜。2.根据权利要求1所述的曲面有机铵金属卤化物薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤一金属卤化物卤化铅和卤化硒中的一种或多种混合。3.根据权利要求1所述的曲面有机铵金属卤化物薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，根据金属卤化物薄膜厚度不同，极性非质子溶剂熏蒸时间为2～3min，温度为35～40℃。4.根据权利要求1所述的曲面有机铵金属卤化物薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤二中极性非质子溶剂为1,3
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二甲基
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咪唑啉酮溶剂(DMI)，所述步骤二中熏蒸得到的金属卤化络合物薄膜包括致密PbI2的络合物。5.根据权利要求1所述的曲面有机铵金属卤化物薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤三有机铵卤化物为甲胺与氢卤酸反应形成的甲铵卤化物和甲脒卤化物中的一种或多种混合。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹焕奇，印寿根，钱奕成，李孜怡，杨利营，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：