一种提高锡基钙钛矿晶体生长质量的方法及太阳能电池器件技术

本发明专利技术属于无机复合太阳能电池技术领域，涉及一种提高锡基钙钛矿晶体生长质量的方法及太阳能电池器件。该方法，先将制备的锡基钙钛矿薄膜于制冷台上静置20～30min，制冷台的温度为0～5℃；再移动至加热台上静置，使其晶粒尺寸变大到现有技术的3～4倍以上。本发明专利技术相比于传统改变前驱液组分的方式，具有以下不同：首先，其结晶控制可扩展到各种基于碘化锡的钙钛矿薄膜，调整灵活，简化了钙钛矿结晶的工艺条件；然后，采取多种手段沉积的薄膜，如旋涂、喷涂、浸泡、刮涂或辊涂，均可通过此方法提高结晶的质量，因此对设备和环境的要求较低；最后，实施时间短，工艺简单，作用过程温度低，可充分满足器件大面积和商业化使用的需要。可充分满足器件大面积和商业化使用的需要。可充分满足器件大面积和商业化使用的需要。

【技术实现步骤摘要】
一种提高锡基钙钛矿晶体生长质量的方法及太阳能电池器件


[0001]本专利技术属于无机复合太阳能电池
，涉及钙钛矿晶体的生长及利用，尤其涉及一种提高锡基钙钛矿晶体生长质量的方法及太阳能电池器件。

技术介绍

[0002]2013年，钙钛矿太阳能电池被美国《科学》杂志年度评选为十大科学突破，钙钛矿这种新型的有机
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无机复合材料由于一系列优点，迅速在光伏领域占据了压倒性的优势。有机
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无机复合钙钛矿材料的出现可以追溯到一个世纪前，但是当时人们认为这类材料由于其中锡和铅的毒性，并没有过多研究。当2009年，日本Miyasaka在制备染料敏化太阳能电池时使用钙钛矿材料(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)作为染料，第一次得到了3.8％的能量转化效率(PCE)，这种新型的有机
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无机复合材料开始被重视[J.Am.Chem.Soc.,613,6050,(2009)]。到了2012年，在之前结构的基础上，M.Gratzel和N.G.Park合作使用固态空穴传输材料2,2',7,7'
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四[N,N
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二(4
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甲氧基苯基)氨基]‑
9,9'
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螺二芴(Spiro
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OMeTAD)，大幅提高了器件的稳定性[Sci.Rep.,2,59,(2012)]；同时Snaith通过调控材料的性质，进一步优化器件各个结构，所制备的电池PCE提高到了10.9％[Science,338,643,(2012)]。近两年，新型钙钛矿制备方法被研究，使得电池效率显著提升：M.Gratzel通过溶液两步法制备了结晶性良好的钙钛矿薄膜，Snaith通过双源蒸镀法制备平整的钙钛矿薄膜。在2014年，美国UCLA的Y.Yang优化了最佳的器件结构，电池PCE高达19.3％，完全可以和现在已经成熟的硅基电池相媲美[Science,345,542,(2014)]。
[0003]尽管有机
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无机复合钙钛矿太阳能电池有许多优点，但是与无机太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池的材料中铅元素的毒性严重制约了钙钛矿材料面向大规模商业应用的前景。为了解决钙钛矿材料毒性的问题，不含铅的非铅钙钛矿材料在今年获得了很多关注，其中的锡基钙钛矿，由于其与铅元素处在元素周期表的同一主族，具有与铅基钙钛矿相类似的性质，而受到了最多的研究。不同于铅基钙钛矿，锡基钙钛矿由于其结晶速度过快，导致结晶质量过低，薄膜缺陷密度过高，从而影响太阳能电池器件的光电性能。为了解决锡基钙钛矿成膜的缺陷问题，研究者们采取了多种方法进行尝试。其中Atsushi Wakamiya在前驱液中加入具有还原性的锡纳米片，减少了锡的氧化，从而增强了结晶质量[Nat Commun 11,3008(2020)]。ZuqiangBian等人尝试在锡基钙钛矿结构中掺入配体苯肼和卤素离子，以此达到调控结晶，增强电池器件光电特性的目的[Matter 4,1
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13,February 3,2021]。而Antonio Abate等人通过对锡基钙钛矿前驱液溶剂的调整，尝试得到能够使得结晶与成膜更加完善的溶剂[ACS Energy Lett.2021,6,959
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968]。
[0004]但是，对比这些促进锡基钙钛矿结晶的方法，都是通过优化前驱体溶液或者锡基钙钛矿组分来提高其结晶度，由于钙钛矿成分的复杂性，不同钙钛矿薄膜的结晶往往不受控制，结晶过程影响因素较多，易产生晶体缺陷，这类缺陷的产生不可避免，且该缺陷在形成电荷复合中心后会降低器件性能。因此，需寻求一种工艺方法对锡基卤素钙钛矿晶体生长的过程进行抑制和控制，对提高器件的光电性能有着重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种提高锡基钙钛矿晶体生长质量的方法及太阳能电池器件，使现有锡基钙钛矿晶体尺寸生长到现有尺寸的3～4倍，太阳能电池器件转化效率提高20％以上，能够充分满足器件大面积和商业化使用的需求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种提高锡基钙钛矿晶体生长质量的方法，所述方法包括如下步骤：
[0008]步骤一、低温预处理，将制备的锡基钙钛矿薄膜于制冷台上静置20～30min，所述制冷台的温度为0～5℃；
[0009]步骤二、退火成膜，将步骤一处理后的锡基钙钛矿薄膜移动至加热台上静置，获得晶粒尺寸变大、结晶性能提高的锡基钙钛矿薄膜。
[0010]进一步，所述加热台的温度为70～100℃，静置时间为20～30min。
[0011]进一步，所述锡基钙钛矿薄膜的材料为甲胺锡碘、甲脒锡碘、甲胺锡碘溴、铯锡碘或者铯锡碘溴。
[0012]进一步，制备所述锡基钙钛矿薄膜的方法可采用旋涂、喷涂、浸泡、刮涂或辊涂工艺中的任一种工艺。
[0013]另一方面，本专利技术还提供了一种太阳能电池器件，包括依次叠加的基片、阳极层、空穴传输层、钙钛矿薄膜层、电子传输层、空穴阻挡层和阴极层，所述钙钛矿薄膜层采用如上所述的方法制备；所述阳极层厚度为80～120nm，空穴传输层厚度为25～40nm，电子传输层厚度为60～90nm，空穴阻挡层厚度为3～10nm，阴极层厚度为80～200nm。
[0014]进一步，所述基片采用玻璃或者柔性基片，所述柔性基片为聚酯或聚酞亚胺类化合物。
[0015]进一步，所述阳极层采用无机材料或有机导电聚合物；所述无机材料为氧化铟锡、氧化锌或氧化锡中的一种金属氧化物或为金、铜、银或锌中的一种金属；所述有机导电聚合物为聚噻吩、聚乙烯基本苯磺酸钠或聚苯胺。
[0016]进一步，所述空穴传输层的材料为：聚(3，4
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亚乙二氧基噻吩)
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聚(苯乙烯磺酸)、氧化镍或硫氰酸铜。
[0017]进一步，所述电子传输层的材料为富勒烯衍生物。
[0018]进一步，所述阴极层的材料为金属或氟化物与金属复合电极，所述金属选自金、银或铝；复合电极是氟化锂与金属银或铝复合。
[0019]与现有技术相比，本专利技术提供的技术方案包括以下有益效果：本专利技术提供的方法，无需在锡基钙钛矿前驱溶液中引入添加剂/催化剂，避免了杂质的引入，仅通过独特的制冷台低温处理，有效抑制了锡基钙钛矿的结晶过程，使锡基钙钛矿晶体尺寸生长到现有技术的3～4倍，且工艺简单，结晶质量高，稳定性和重复率高，对环境的依赖度低，成本低廉。
[0020]另外，相比于传统改变前驱液组分的方式制备平面异质结太阳能电池器件，本专利技术提供的方法使已结晶的钙钛矿晶体尺寸能够增长到现有技术的3～4倍以上，器件转化效率提高20％以上，能够充分满足器件大面积和商业化使用的需要。
附图说明
[0021]图1为本专利技术提供的钙钛矿太阳能电池器件结构示意图；
[0022]图2为本专利技术实施例1提供的钙钛矿薄膜的扫描电镜图；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高锡基钙钛矿晶体生长质量的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一、低温预处理，将制备的锡基钙钛矿薄膜于制冷台上静置20～30min，所述制冷台的温度为0～5℃；步骤二、退火成膜，将步骤一处理后的锡基钙钛矿薄膜移动至加热台上静置，获得晶粒尺寸变大、结晶性能提高的锡基钙钛矿薄膜。2.根据权利要求1所述的提高锡基钙钛矿晶体生长质量的方法，其特征在于，所述加热台的温度为70～100℃，静置时间为20～30min。3.根据权利要求1所述的提高锡基钙钛矿晶体生长质量的方法，其特征在于，所述锡基钙钛矿薄膜的材料为甲胺锡碘、甲脒锡碘、甲胺锡碘溴、铯锡碘或者铯锡碘溴。4.根据权利要求1所述的提高锡基钙钛矿晶体生长质量的方法，其特征在于，制备所述锡基钙钛矿薄膜的方法可采用旋涂、喷涂、浸泡、刮涂或辊涂工艺中的任一种工艺。5.一种太阳能电池器件，包括依次叠加的基片、阳极层、空穴传输层、钙钛矿薄膜层、电子传输层、空穴阻挡层和阴极层，其特征在于，所述钙钛矿薄膜层采用如权利要求1所述的方法制备；所述阳极层厚度为80～120nm，空穴...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴朝新，董化，李培舟，樊钦华，
申请(专利权)人：宁波激智创新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：