利用溶劑處理鈣鈦礦晶體薄膜的方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及太陽能電池領(lǐng)域，具體設(shè)及一種利用溶劑處理巧鐵礦晶體薄膜的方法 及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于能源短缺及化石燃料燃燒所引起的環(huán)境污染等問題，而太陽能作為可再生的 清潔能源，日益引起人們關(guān)注。太陽能電池是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，近幾年發(fā)展起 來的巧鐵礦型太陽能電池由于具備了效率高，成本低，制備工藝簡單，可W實現(xiàn)大面積和柔 性加工等優(yōu)點，成為了研究熱點。在近五年的時間，效率從剛開始報道的不足5%發(fā)展為現(xiàn) 在的超過20%。
[0003] 目前研究階段，具有多孔結(jié)構(gòu)的巧鐵礦太陽能電池電池，由于需要高溫巧oo°c) 燒結(jié)，成本高，并且不可W制備柔性電池，限制了其工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。由于可W通過 一定的條件優(yōu)化實現(xiàn)高效率（超過19% )，為下一步研究提供了一定的指導(dǎo)，文獻(xiàn) Science, 2014, 345, 542-546。平面異質(zhì)結(jié)電池則不具有該些限制，可W實現(xiàn)大面積柔性低 成本生產(chǎn)，同時還能實現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0004] 平面異質(zhì)結(jié)正向的巧鐵礦太陽能電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，由透明導(dǎo)電襯底，和依次 層疊于上面的空穴傳輸層，具有巧鐵礦晶體結(jié)構(gòu)的吸光層（CH3NH3Pbl3_yClJ，電子傳輸層和 金屬電極組成。據(jù)報道通過采用直接旋涂巧鐵礦前驅(qū)體的方法，制備該結(jié)構(gòu)平面異質(zhì)結(jié)巧 鐵礦太陽能，電池效率為11. 5%，文獻(xiàn)ACSNano, 2014,8, 1674 - 1680。反向結(jié)構(gòu)的太陽能 電池則是由透明導(dǎo)電襯底，和依次層疊于上面的電子傳輸層，吸光層（C&N&Pbls-yCly)，空 穴傳輸層和金屬電極組成。巧鐵礦材料可W應(yīng)用在該兩種結(jié)構(gòu)的電池中。
[000引現(xiàn)有的提高C&N&Pbls-x化巧鐵礦太陽能電池效率的方法；（1)通過工藝 控制巧鐵礦結(jié)晶過程，調(diào)整膜形態(tài)，增大表面覆蓋率，降低粗趟度，文獻(xiàn)Adv.化net. Mater.，2014, 24, 151-157。（2)通過滲雜改變受體材料性能，改善器件電導(dǎo)率和界面接觸， 抑制電荷復(fù)合，提高電子遷移率，器件效率14.8%，文獻(xiàn)NanoLett.，2015, 15, 2756 - 2762。 (3)引入界面修飾材料，促進(jìn)電子收集，改善電池穩(wěn)定性，提高效率，超過14%，文獻(xiàn)ACS Appl.Mater.Intedaces, 2015, 7, 6230-6237。但是由于增加成本，并且增加在實際生產(chǎn)過 程中操作難度，降低產(chǎn)品合格率，該些方法不適用于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣。
[0006] 溶劑工程已經(jīng)被證明應(yīng)用在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域，通過簡單的甲醇溶劑處理，提 高器件效率，可應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，效果穩(wěn)定可靠，文獻(xiàn)Adv.Mater.，2013, 25, 1646-1652。 但是將溶劑處理運(yùn)用在提高巧鐵礦電池效率的報道較少，研究人員將旋涂過的前驅(qū)體進(jìn)行 甲苯溶劑處理，再進(jìn)行退火，形成大而均勻平整的晶體，改善成膜性，修飾膜形態(tài)，促進(jìn)電荷 傳輸，抑制了缺陷態(tài)的形成，文獻(xiàn)化化rematerials, 2014, 13, 897-903。但是該方法適用范 圍較窄，要求巧鐵礦前驅(qū)體溶劑為二甲基亞諷和丫-了內(nèi)醋混合溶劑，并且所采用甲苯溶 劑有毒性，易燃，易爆，對環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)安全有一定威脅，價格較高，處理過程要求在前驅(qū) 體的旋涂過程中滴加甲苯，具體滴加時間，滴加體積，作用時間等參數(shù)較多不易控制，綜上 所述，該種方式不適合工業(yè)化生產(chǎn)。
[0007] 由于平面異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)簡單，制備過程成本低，并且可運(yùn)用于大面積和柔性器 件的制備，開發(fā)可應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化的工藝提高巧鐵礦太陽能電池效率仍是研究的熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明提供了一種利用溶劑處理巧鐵礦晶體薄膜的方法，將該方法處理后的巧鐵 礦晶體薄膜應(yīng)用于巧鐵礦太陽能電池時，可W顯著提高電池效率，實現(xiàn)低成本的高效巧鐵 礦太陽能電池的制備。
[0009] 一種利用溶劑處理巧鐵礦晶體薄膜的方法，將CH3NH3I(甲基艦化錠）、PbCl2(二氯 化鉛）和溶劑A混合得到前驅(qū)體溶液，涂布后再去除溶劑A形成巧鐵礦晶體薄膜，再與溶劑 B接觸，得到處理后的巧鐵礦晶體薄膜；
[0010] 所述的溶劑B為正了醇或異丙醇。
[0011] WCH3NH3I、化化為原料配制的前驅(qū)體溶液，經(jīng)涂覆、去除溶劑后得到的巧鐵礦晶 體薄膜中，殘留一定量的雜質(zhì)，若直接作為巧鐵礦太陽能電池中的巧鐵礦晶體薄膜層，會導(dǎo) 致缺陷的產(chǎn)生，使得巧鐵礦太陽能電池的效率下降。本發(fā)明中，通過溶劑B對巧鐵礦晶體薄 膜進(jìn)行接觸處理，W異丙醇為例，異丙醇對CH3NH3I具有極強(qiáng)的溶解性，同時具有較低的沸 點，常溫下即可將殘留在巧鐵礦晶體薄膜中的部分CH3NH3I帶出，從而減少巧鐵礦晶體薄膜 內(nèi)的雜質(zhì)殘留，同時不破壞巧鐵礦晶體薄膜的結(jié)構(gòu)。
[0012] 作為優(yōu)選，溶劑B的接觸方式包括旋涂法、刮涂法、絲網(wǎng)印刷或浸潰提拉法。
[0013] 當(dāng)所述的接觸方式為表面接觸時，如旋涂法、刮涂法、絲網(wǎng)印刷，加入溶劑B的量 為100~500微化基底面積為25mm*25mm，接觸時間為1~20s;
[0014] 當(dāng)所述的接觸方式為浸潰接觸時，如浸潰提拉法，接觸的時間為1~20s，基底面 積為 25mm*25mm。
[0015] 作為優(yōu)選，所述的溶劑B為異丙醇。異丙醇對CH3NH3I具有更佳的溶解性，同時沸 點也更低，可W更好地去除殘留在巧鐵礦晶體薄膜中的CH3NH3I。
[0016] 本發(fā)明中采用的異丙醇為無水異丙醇。
[0017] 進(jìn)一步優(yōu)選，當(dāng)采用旋涂法、刮涂法或絲網(wǎng)印刷等表面接觸方式時，異丙醇的用量 為400微升，基底面積為25mm*25mm，與巧鐵礦晶體薄膜的接觸時間為10s;
[001引當(dāng)采用浸潰提拉法時，異丙醇與巧鐵礦晶體薄膜的接觸時間為10s，基底面積為 25mm*25mm。
[0019] 作為優(yōu)選，所述的溶劑A選自N，N-二甲基甲酯胺、二甲基亞諷、丫-了內(nèi)醋中的至 少一種。通過加熱攬拌使得前驅(qū)體原料溶解完全，得到CH3NH3Pbl3_yCly前驅(qū)體溶液，可W選 擇是否過濾。
[0020] 作為優(yōu)選，所述前驅(qū)體溶液中PbCls的濃度為0. 1~1. 2M，CH3NH3I與PbCls的摩 爾比為1:1~4:1。進(jìn)一步優(yōu)選，前驅(qū)體溶液中PbCl2的濃度為0.88M，CH3NH3I與PbCl2的 摩爾比為3:1。
[0021] 所述的前驅(qū)體溶液也可采用旋涂法、刮涂法、絲網(wǎng)印刷或浸潰提拉法涂布在基底 表面，再去除溶劑A。作為優(yōu)選，所述的溶劑A通過溶劑退火或者加熱退火去除。進(jìn)一步 優(yōu)選，先采用溶液旋涂法在基底表面涂布前驅(qū)體溶液，再依次經(jīng)室溫下溶劑退火30min，及 80°C熱退火120min，去除溶劑A,制備巧鐵礦晶體薄膜。
[0022] 所述的溶劑退火具體為；將正在制備中的含有一定量溶劑的薄膜，在小培養(yǎng)皿中 放置，在該溶劑的蒸氣中靜置一段時間。目的是改善膜形態(tài)。
[0023] 本發(fā)明還公開了一種巧鐵礦太陽能電池，包括襯底、空穴傳輸層、巧鐵礦晶體薄膜 層、電子傳輸層和金屬電極，其特征在于，所述的巧鐵礦晶體薄膜經(jīng)過上述的方法處理得 到。
[0024] 所述的巧鐵礦太陽能電池可采用或反向結(jié)構(gòu)。
[0025] 當(dāng)所述的巧鐵礦太陽能電池為正向結(jié)構(gòu)時，由下至上依次為透明導(dǎo)電襯底、空穴 傳輸層、巧鐵礦晶體薄膜層、電子傳輸層和金屬電極；
[0026] 當(dāng)所述的巧鐵礦太陽能電池為反向結(jié)構(gòu)時，由下至上依次為透明導(dǎo)電襯底、電子 傳輸層、巧鐵礦晶體薄膜層、空穴傳輸層和金屬電極；
[0027] 上述兩種類型的巧鐵礦太陽能電池中的巧鐵礦晶體薄膜層均可采用本發(fā)明中的 溶劑B處理方法。
[002引經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，巧鐵礦晶體薄膜經(jīng)溶劑B處理后，一方面去除了巧鐵礦晶體薄膜中 的雜質(zhì)，同時還改善了巧鐵礦晶體薄膜的表面性能，提高了傳輸層在上面的鋪展性及覆蓋 率，改善膜形態(tài)，上述的性能改善均有利于提高巧鐵礦太陽能電池的各項性能。
[0029]W正向結(jié)構(gòu)為例，所述巧鐵礦太陽能電池的制備過程如下：
[0030] (1)在透明導(dǎo)電襯底上制備含有空穴傳輸功能的功能層；
[0031] (2)在含有空穴傳輸功能的功能層上涂布前驅(qū)體溶液，所述的前驅(qū)體溶液由 CH3NH3I、化Cl2和溶劑A混合得到，去除溶劑A形成巧鐵礦晶體薄膜，再與溶劑B接觸，得到 處理后的巧鐵礦晶體薄膜層；
[0032] (3)在處理后的巧鐵礦晶體薄膜層上制備含有電子傳輸功能的功能層；
[0033] (4)在含有電子傳輸功能的功能層上制備金屬電極。
[0034] 作為優(yōu)選，所述的溶劑B為異丙醇，接觸方法為：
[0035] 在所述的巧鐵礦晶體薄膜表面滴加異丙醇，再進(jìn)行旋涂處理。
[0036] 所述的電子傳輸層和空穴傳輸層的種類可選有機(jī)和/或無機(jī)材料，成膜厚度可 變，沉積方法可W為旋涂法，刮涂法，絲網(wǎng)印刷，浸潰提拉法，真空蒸鍛法，磁控瓣射法中的 一種或幾種。
[0037] 作為優(yōu)選，所述的電子傳輸層為經(jīng)過旋涂的20mg/ml的富勒締衍生物PCBM/氯苯 (CB)溶液，再蒸鍛一層Ce。的方法制備；空穴傳輸層為采用旋涂PEDOT:PSS溶液的方法制 備，厚度為40皿。
[003引所述的