一种钙钛矿薄膜制备设备、制备方法及钙钛矿电池技术

本发明专利技术提供一种钙钛矿薄膜制备设备、制备方法及钙钛矿电池，所述钙钛矿薄膜制备设备包括真空制膜系统和MFC气体流量控制系统，所述真空制膜系统的进气口连接所述MFC气体流量控制系统；所述真空制膜系统包括真空单元和抽真空单元，所述真空单元包括真空腔室，所述真空腔室的出气口连接所述抽真空单元。本发明专利技术通过增加MFC气体流量控制系统进行设备改造，可以有效控制设备内残余气体分子的成分及数量，使其在不影响薄膜纯度的同时制备出疏松多孔的金属卤化物薄膜，这有利于后续有机组分的渗入，增大钙钛矿的成核结晶，制备得到高质量且大面积的钙钛矿薄膜和性能优异的器件；该设备结构简单、工艺参数稳定性高，适合大规模应用和批量生产。和批量生产。和批量生产。

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿薄膜制备设备、制备方法及钙钛矿电池


[0001]本专利技术属于钙钛矿太阳能电池
，具体涉及一种钙钛矿薄膜制备设备、制备方法及钙钛矿电池。

技术介绍

[0002]钙钛矿命名取自俄罗斯矿物学家Perovskite的名字，是一种结构为ABX3以及与之类似的晶体的统称，目前在超声波机器、存储芯片以及太阳能电池中被广泛应用。钙钛矿太阳能电池就是利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池，拥有高效率、低成本、可柔性等优势，未来发展潜力巨大。钙钛矿太阳能电池2009年效率仅为3.8％，目前经认证的单结电池最高效率为25.7％，钙钛矿/硅叠层电池的最高效率为32.5％，短短数十年时间就突破了其他类型太阳能电池的效率极限，在BIPV、车载、室内光伏、地面电站等领域有很高的应用前景。
[0003]目前制备钙钛矿薄膜的方法大致可以分为溶液法和真空法。
[0004]溶液法一般通过旋涂法、刮涂法、喷涂法或狭缝涂布法(Slot
‑
die)等方法制备湿膜，而后通过退火形成钙钛矿薄膜，是最广泛的制备钙钛矿吸光层的方式。但是目前的高性能器件都是基于实验室级别的旋涂法以及反溶剂辅助的方法加以实现，且使用溶液法制备钙钛矿薄膜对基底的平整性要求极高，因为溶液法制备的钙钛矿薄膜厚度通常只有几百纳米，如果衬底是凹凸不平的就会使得制备的薄膜无法完全覆盖基底，制备出来的薄膜均匀性不佳。并且溶液法中使用的溶剂挥发的时间较难把握，很容易在钙钛矿薄膜中形成针孔缺陷，影响电池器件效率。此外，溶液法使用的一些特殊溶剂以及大量的反试剂也不符合工业生产的标准，无法满足大面积制备的要求。
[0005]真空法就是真空状态下把钙钛矿的前驱体材料通过物理气相沉积法(PVD)或者化学气相沉积法(CVD)一步共蒸发或者顺序蒸发法直接制备到衬底上，随后退火促进结晶形成钙钛矿薄膜。真空法制备钙钛矿薄膜的优势在于不用考虑衬底的平整度，真空沉积能完全覆盖基底表面，形成连续的薄膜。一般的真空蒸发法、近空间升华法(CSS)、离子溅射法或者气相传输法(VTD)等方法在制备金属卤化物薄膜过程中，从材料表面蒸发的粒子以一定的速度在蒸镀腔室沿直线运动，最后沉积在基底表面形成薄膜。而真空室中残余气体在蒸镀过程中撞击着真空室内的所有表面，包括正在生长着的膜层表面，对膜层的影响很大，这些气体分子的来源主要是真空镀膜室内表面上的解吸放气、蒸发源包括蒸发材料释放的气体、抽气系统的返流以及设备的漏气等。
[0006]因此，真空设备为了获得纯度好的膜层，需要通过真空系统获得高真空状态，尽可能减少真空室中的残余气体分子，但高真空的同时会减少蒸发材料分子与残余气体分子的碰撞，平均自由程增加，使得制备的薄膜更加致密，膜层不够疏松，阻碍了第二步有机组分的渗入，反应不完全，容易出现金属卤化物残留的问题。因此，高纯度以及疏松多孔作为钙钛矿两步法第一步高质量金属卤化物薄膜的必要条件，在一定程度上无法同时实现，所以目前技术的缺点是无法通过真空法制备大面积且工艺简单的高纯度疏松多孔金属卤化物
薄膜，导致生成的钙钛矿薄膜易存在金属卤化物残留的问题。
[0007]因此，如何通过真空法制备高纯度、疏松且多孔的金属卤化物薄膜，避免生成的钙钛矿薄膜存在金属卤化物残留的问题，从而制备高质量且大面积的钙钛矿薄膜，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种钙钛矿薄膜制备设备、制备方法及钙钛矿电池。本专利技术通过增加MFC气体流量控制系统进行设备改造，可以有效控制设备内残余气体分子的成分及数量，使其对蒸发材料分子的影响在可控范围内，在不影响薄膜纯度的同时制备出疏松多孔的金属卤化物薄膜，这有利于第二步有机组分的渗入，增大钙钛矿的成核结晶。同时，该设备能在真空腔室内利用不同的气体进行薄膜修饰，控制膜层形貌，从而制备得到高质量且大面积的钙钛矿薄膜和性能优异的电池器件；该设备结构简单、工艺参数稳定性高，适合大规模应用和批量生产。
[0009]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种钙钛矿薄膜制备设备，所述钙钛矿薄膜制备设备包括真空制膜系统和MFC气体流量控制系统，所述真空制膜系统的进气口连接所述MFC气体流量控制系统；
[0011]所述真空制膜系统包括真空单元和抽真空单元，所述真空单元包括真空腔室，所述真空腔室的出气口连接所述抽真空单元。
[0012]通过抽真空单元将真空腔室调整为高真空状态，目的是将镀膜环境中残余的各种气体分子抽除以减少不良影响，这是由于空气中的活性分子可能与薄膜或蒸发材料发生反应，形成化合物；残留的气体分子进入薄膜而形成杂质影响薄膜纯度；过多的气体分子会妨碍蒸发物质的原子、分子直线前进，导致不少蒸气分子不能到达基片，从而无法在基片上形成连续薄膜。但高真空的同时会减少蒸发材料分子与残余气体分子的碰撞，平均自由程增加，使得制备的薄膜更加致密，膜层不够疏松，阻碍了第二步有机组分的渗入，导致反应不完全，易出现金属卤化物残留的问题。
[0013]因此，本专利技术通过在真空制膜系统的进气口处增加MFC气体流量控制系统，可以保证真空度控制在所需的范围内，在此范围内蒸发材料分子与工作气体分子的平均自由程变短，材料分子与气体分子到达基底的动能都降低，可以有效控制设备内残余气体分子的成分及数量，使其对蒸发材料分子的影响在可控范围内，在不影响薄膜纯度的同时制备出疏松多孔的金属卤化物薄膜，这有利于第二步有机盐溶液的渗入，增大钙钛矿的成核结晶。同时，该设备能在真空腔室内利用不同的气体进行薄膜修饰，控制膜层形貌，从而制备得到高质量且大面积的钙钛矿薄膜和性能优异的电池器件；该设备结构简单、工艺参数稳定性高，适合大规模应用和批量生产。
[0014]本专利技术中，对真空制膜系统的选择不作限定，示例性的，例如可以是真空蒸镀装置、离子溅射设备、近空间升华的真空蒸发设备或气相传输法(VTD)采用的真空蒸发设备等。
[0015]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述MFC气体流量控制系统沿着进气的方向包括依次连接的进气源、电磁阀、MFC控制器和总进气阀。
[0016]本专利技术中，对进气源不作限定，示例性的，例如可以是钢瓶或管道等。
[0017]本专利技术中，电磁阀可以控制气体的通入，MFC控制器可以调节通入的气体流量大小，总进气阀为气体进入真空单元的开关。
[0018]优选地，所述电磁阀和所述MFC控制器之间设置有减压阀。
[0019]本专利技术中，减压阀可以帮助通入的气体保持在合适稳定的压力范围内。
[0020]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述抽真空单元沿着出气的方向包括依次连接的分子泵和机械泵。
[0021]优选地，所述真空腔室的出气口包括第一出气口和第二出气口，所述分子泵与所述第一出气口之间设置有闸板阀。
[0022]本专利技术中，闸板阀用于打开和关闭分子泵与真空腔室的第一出气口。
[0023]优选地，所述分子泵和所述机械泵之间设置有前级阀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿薄膜制备设备，其特征在于，所述钙钛矿薄膜制备设备包括真空制膜系统和MFC气体流量控制系统，所述真空制膜系统的进气口连接所述MFC气体流量控制系统；所述真空制膜系统包括真空单元和抽真空单元，所述真空单元包括真空腔室，所述真空腔室的出气口连接所述抽真空单元。2.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜制备设备，其特征在于，所述MFC气体流量控制系统沿着进气的方向包括依次连接的进气源、电磁阀、MFC控制器和总进气阀；优选地，所述电磁阀和所述MFC控制器之间设置有减压阀。3.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜制备设备，其特征在于，所述抽真空单元沿着出气的方向包括依次连接的分子泵和机械泵；优选地，所述真空腔室的出气口包括第一出气口和第二出气口，所述分子泵与所述第一出气口之间设置有闸板阀；优选地，所述分子泵和所述机械泵之间设置有前级阀；优选地，所述机械泵和所述真空腔室的第二出气口之间设置有预抽阀。4.一种钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法采用权利要求1
‑
3任一项所述的钙钛矿薄膜制备设备；所述制备方法包括以下步骤：(1)将基片放置于真空腔室中，通过抽真空单元进行抽真空；(2)通过MFC气体流量控制系统通入工作气体；(3)将原料真空沉积在所述基片的表面，形成金属卤化物薄膜；(4)在所述金属卤化物薄膜的表面制备有机卤化物薄膜，经过热处理，得到所述钙钛矿薄膜。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述通过抽真空单元进行抽真空之后，真空腔室内的真空度小于等于1
×
10
‑5Pa；优选地，步骤(2)所述工作气体包括氧气、氮气、惰性气体或卤化铯气体中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述惰性气体包括氩气、氦气、氖气或氙气中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述卤化铯气体包括碘化铯气体、氯化铯气体或溴化铯气体中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(2)所述工作气体的气体流量为0
‑
50sccm，且不包括0，优选为5
‑
30sccm；优选地，步骤(2)所述通入...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，王良乐，姚博，邵君，于振瑞，
申请(专利权)人：无锡极电光能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：