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(yáng)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(wèn)題，而太陽(yáng)能作為可再生的 清潔能源，日益引起人們關(guān)注。太陽(yáng)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(lái)的巧鐵礦型太陽(yáng)能電池由于具備了效率高，成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，可W實(shí)現(xiàn)大面積和柔 性加工等優(yōu)點(diǎn)，成為了研究熱點(diǎn)。在近五年的時(shí)間，效率從剛開(kāi)始報(bào)道的不足5%發(fā)展為現(xiàn) 在的超過(guò)20%。
[0003] 目前研究階段，具有多孔結(jié)構(gòu)的巧鐵礦太陽(yáng)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(guò) 一定的條件優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高效率（超過(guò)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(shí)現(xiàn)大面積柔性低 成本生產(chǎn)，同時(shí)還能實(shí)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(yáng)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(bào)道通過(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池效率的方法；（1)通過(guò)工藝 控制巧鐵礦結(jié)晶過(guò)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(guò)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(guò)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(shí)際生產(chǎn)過(guò) 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(yáng)能電池領(lǐng)域，通過(guò)簡(jiǎn)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(bào)道較少，研究人員將旋涂過(guò)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(duì)環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)安全有一定威脅，價(jià)格較高，處理過(guò)程要求在前驅(qū) 體的旋涂過(guò)程中滴加甲苯，具體滴加時(shí)間，滴加體積，作用時(shí)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(jiǎn)單，制備過(guò)程成本低，并且可運(yùn)用于大面積和柔性器 件的制備，開(kāi)發(fā)可應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化的工藝提高巧鐵礦太陽(yáng)能電池效率仍是研究的熱點(diǎn)。

【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(yáng)能電池時(shí)，可W顯著提高電池效率，實(shí)現(xiàn)低成本的高效巧鐵 礦太陽(yáng)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(yáng)能電池中的巧鐵礦晶體薄膜層，會(huì)導(dǎo) 致缺陷的產(chǎn)生，使得巧鐵礦太陽(yáng)能電池的效率下降。本發(fā)明中，通過(guò)溶劑B對(duì)巧鐵礦晶體薄 膜進(jìn)行接觸處理，W異丙醇為例，異丙醇對(duì)CH3NH3I具有極強(qiáng)的溶解性，同時(shí)具有較低的沸 點(diǎn)，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(shí)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(shí)，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(shí)間為1~20s;
[0014] 當(dāng)所述的接觸方式為浸潰接觸時(shí)，如浸潰提拉法，接觸的時(shí)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(duì)CH3NH3I具有更佳的溶解性，同時(shí)沸 點(diǎn)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(wú)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(shí)，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(shí)間為10s;
[001引當(dāng)采用浸潰提拉法時(shí)，異丙醇與巧鐵礦晶體薄膜的接觸時(shí)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(guò)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(guò)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(guò)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(shí)間。目的是改善膜形態(tài)。
[0023] 本發(fā)明還公開(kāi)了一種巧鐵礦太陽(yáng)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(guò)上述的方法處理得 到。
[0024] 所述的巧鐵礦太陽(yáng)能電池可采用或反向結(jié)構(gòu)。
[0025] 當(dāng)所述的巧鐵礦太陽(yáng)能電池為正向結(jié)構(gòu)時(shí)，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(yáng)能電池為反向結(jié)構(gòu)時(shí)，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(lèi)型的巧鐵礦太陽(yáng)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(yàn)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(shí)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(yáng)能電池的各項(xiàng)性能。
[0029]W正向結(jié)構(gòu)為例，所述巧鐵礦太陽(yáng)能電池的制備過(guò)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(lèi)可選有機(jī)和/或無(wú)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(guò)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