一種鈣鈦礦太陽電池吸收層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈣鈦礦太陽電池吸收層的制備方法，尤其涉及蒸發(fā)法制備鈣鈦礦太陽電池吸收層穩(wěn)定性的方法，屬于光伏和半導(dǎo)體器件制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]一種基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbX3(X代表鹵族元素）材料的太陽電池引起了全世界的關(guān)注。自2009年制備出第一塊電池，到現(xiàn)在為止，鈣鈦礦太陽電池的最高效率已達(dá)到 19.3%。（Huanping Zhou et al. , Interface engineering of highly efficientperovskite solar cells,Science 345,542 (2014))
[0003]短短幾年，鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展出了多種器件結(jié)構(gòu)，一般可分為介孔結(jié)構(gòu)和平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)兩種。介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池從上到下分別為：FT0導(dǎo)電玻璃、TiO2致密層、1102介孔層、1?鈦礦層、HTM層、金屬電極。平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)則是在此基礎(chǔ)上，把多孔支架層η型半導(dǎo)體TiO2換成絕緣材料Al2O3,形成一種介觀超結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)型太陽電池（LiuΜ, Johnston M B, Snaith H J 2013Nature 501395)。還可以更進(jìn)一步地去掉絕緣的支架層，制備出具有類似于p-i-n結(jié)構(gòu)平面型異質(zhì)結(jié)電池。
[0004]CH3NH3PbX3吸收層材料可以采用多種方法進(jìn)行制備，比較常見的有一步溶液法、兩步溶液法、蒸發(fā)法以及溶液-氣相沉積法等。溶液法的旋涂工藝簡(jiǎn)單易用，成本低廉，但往往會(huì)導(dǎo)致表面覆蓋不全，出現(xiàn)針孔。采用共蒸發(fā)法制備的鈣鈦礦材料雜質(zhì)缺陷少，結(jié)構(gòu)致密，表面具有完美的均一性。但是，該方法需要高真空，對(duì)設(shè)備的要求較高。
[0005]CH3NH3PbX3吸收層材料吸收系數(shù)高達(dá)10 5。通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦材料的組成，可改變其帶隙寬度和電池的顏色。另外，鈣鈦礦太陽電池還具有成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，以及可制備柔性、透明及疊層電池等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且其獨(dú)特的缺陷特性，使鈣鈦礦晶體材料既可呈現(xiàn)η型半導(dǎo)體的性質(zhì)，也可呈現(xiàn)P型半導(dǎo)體的性質(zhì)，故而其應(yīng)用更加多樣化。而且013冊(cè)^^&具有廉價(jià)、可溶液制備的特點(diǎn)，這為鈣鈦礦太陽電池的大規(guī)模、低成本制造提供可能。
[0006]但電池穩(wěn)定性因素制約了鈣鈦礦太陽電池的發(fā)展，CH3NH3PbX3吸收層材料對(duì)水蒸氣十分敏感，而且介觀打02結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池在紫外光誘導(dǎo)下存在嚴(yán)重的效率衰減。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提出一種鈣鈦礦太陽電池吸收層的制備方法，采用熱蒸鍍技術(shù)制備工藝，在襯底表面上制備鈣鈦礦電池吸收層CH3NH3PbX3,并對(duì)該層進(jìn)行力學(xué)擠壓，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽電池吸收層自身穩(wěn)定性的提高，從而提高整個(gè)電池的性能穩(wěn)定性。
[0008]本發(fā)明方法提出的鈣鈦礦太陽電池吸收層的制備方法，包括以下步驟：
[0009](I)將清洗后的玻璃襯底放入熱蒸發(fā)腔體內(nèi)，將裝有？6\粉末的第一坩禍和裝有CH3NH3I晶體的第二坩禍分別放在熱蒸發(fā)腔體內(nèi)的蒸發(fā)電極上，第一坩禍和第二坩禍上分別纏繞有鎢絲，鎢絲纏繞圈數(shù)為5?8圈，并使得第一坩禍和第二坩禍的坩禍口與玻璃襯底之間的垂直距離H為10?14cm，第一坩禍和第二坩禍內(nèi)的PbX2粉末和CH 3NH3I晶體的摩爾比為：PbX2粉末=CH3NH3I晶體=I: (I?4)，其中X為鹵素元素I或Cl ；
[0010](2)對(duì)熱蒸發(fā)腔體抽取真空，使真空度達(dá)到3X10_3Pa以下，對(duì)熱蒸發(fā)腔體的襯底進(jìn)行烘烤，烘烤溫度為室溫?50°C，烘烤15分鐘；
[0011](3)對(duì)裝有PbX2粉末的第一坩禍的鎢絲施加6. 4?7. 4A蒸發(fā)電流，蒸發(fā)10分鐘后，將蒸發(fā)電流加大至7. 4?8. 4A，蒸發(fā)5分鐘，在熱蒸發(fā)腔體的玻璃襯底上得到PbX2簿膜，然后對(duì)裝有CH3NH3I晶體的第二坩禍的鎢絲施加5. 6A，蒸發(fā)電流，蒸發(fā)15分鐘，此時(shí)在熱蒸發(fā)腔體的玻璃襯底上得到CH3NH3PbX2I薄膜；
[0012](4)使熱蒸發(fā)腔體降至室溫，從熱蒸發(fā)腔體的中取出帶有CH3NH3PbX2I簿膜的玻璃襯底，在空氣中放置20?30分鐘，在空氣中，將CH3NH3PbX2I簿膜加溫至80?120°C，保溫30分鐘；
[0013](5)將步驟（4)得到的帶有CH3NH3PbX21簿膜的玻璃襯底正面朝上水平放置，并在CH3NH3PbX2I簿膜表面放一軟性墊片，在軟性墊片上設(shè)置一層平板，在平板之上施加一個(gè)50?100牛的壓力，維持12?48小時(shí)，得到擠壓優(yōu)化的鈣鈦礦太陽電池吸收層CH3NH3PbX2I ο
[0014]本發(fā)明方法中，所述的襯底可以為ITO導(dǎo)電玻璃、FTO導(dǎo)電玻璃或者普通玻璃。
[0015]本發(fā)明提出的鈣鈦礦太陽電池吸收層的制備方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0016]1、本發(fā)明的制備方法中使用熱蒸鍍工藝，CH3NH3PbX2I材料雜質(zhì)缺陷少，結(jié)構(gòu)致密，表面具有完美的均一性，有利于大面積制備太陽電池。
[0017]2、本發(fā)明的制備方法中得到的CH3NH3PbX2I材料，自然放置情況下，光致衰退現(xiàn)象明顯減弱，為電池的商業(yè)化生產(chǎn)提供了可行的解決方法。
[0018]3、本發(fā)明的整個(gè)制備過程中使用的都是工業(yè)化生產(chǎn)中常見的儀器，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。所用原料價(jià)格低廉，實(shí)驗(yàn)周期短，實(shí)用性高。
[0019]4、本發(fā)明制備方法中，使用簡(jiǎn)單無成本的力學(xué)擠壓方法對(duì)制備的鈣鈦礦吸收層CH3NH3PbX2I進(jìn)行后處理，可大幅度提高吸收層的穩(wěn)定性，而且力學(xué)擠壓的方法對(duì)鈣鈦礦太陽電池的工藝難度以及性能指標(biāo)沒有任何不良影響。
【附圖說明】
[0020]圖I是用于制備本發(fā)明提出的鈣鈦礦太陽電池吸收層的蒸發(fā)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是對(duì)本發(fā)明制備的太陽電池吸收層進(jìn)行力學(xué)擠壓的原理示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明方法制備的CH3NH3PbI3吸收層掃描電鏡圖。
[0023]圖4是本發(fā)明方法制備的CH3NH3PbI3K收層的X射線衍射圖。
[0024]圖5-1、圖5-2是本發(fā)明方法制備的CH3NH3PbI3吸收層在自然放置情況下吸收度隨時(shí)間變化圖譜。
[0025]圖6-1、圖6-2是本發(fā)明方法制備的CH3NH3PbI3吸收層在自然放置情況下透過率隨時(shí)間變化圖譜。
[0026]圖I和圖2中，I是第一坩禍，內(nèi)裝無機(jī)物PbX2-發(fā)源，2是第二坩禍，內(nèi)裝有機(jī)物CH3NH3I蒸發(fā)源，3是玻璃襯底，4是鎢絲，5是蒸發(fā)腔體，6是軟性墊片，7是平板。
【具體實(shí)施方式】
[0027]本發(fā)明提出的鈣鈦礦太陽電池吸收層的制備方法，其制備過程所涉及的裝置如圖I所示，該方法包括以下步驟：
[0028](I)將清洗后的玻璃襯底放入熱蒸發(fā)腔體內(nèi)，將裝有？&\粉末的第一坩禍I和裝有CH3NH3I晶體的第二坩禍2分別放在熱蒸發(fā)腔體5內(nèi)的蒸發(fā)電極上，坩禍上纏繞有鎢絲4，鎢絲纏繞圈數(shù)為5?8圈，并使得坩禍口與玻璃襯底3之間的垂直距離H為10?14cm，第一坩禍I和第二坩禍2內(nèi)的PbX2粉末和CH3NH3I晶體的摩爾比為：PbX2粉末=CH3NH3I晶體=I: (I?4)，其中X為鹵素元素I或Cl;
[0029](2)對(duì)熱蒸發(fā)腔體抽取真空，使真空度達(dá)到3X10_3Pa以下，對(duì)熱蒸發(fā)腔體的襯底進(jìn)行烘烤，烘烤溫度為室溫?50°C，烘烤15分鐘；
[0030](3)對(duì)裝有PbX2粉末的第一坩禍的鎢絲施加6. 4?7. 4A蒸發(fā)電流，蒸發(fā)10分鐘后，將蒸發(fā)電流加大至7. 4?8. 4A，蒸發(fā)5分鐘，在熱蒸發(fā)腔體的玻璃襯底上得到PbX2簿膜，然后對(duì)裝有CH3NH3I晶體的第二坩禍的鎢絲施加5. 6A，蒸發(fā)電流，蒸發(fā)15分鐘，此時(shí)在熱蒸發(fā)腔體的玻璃襯底上得到CH3NH3PbX2I薄膜；
[0031](4)使熱蒸發(fā)腔體降至室溫，從熱蒸發(fā)腔體的中取出帶有CH3NH3PbX2I簿膜的玻璃襯底，在空氣中放置20?30分鐘，在空氣中，將CH3NH3PbX2I簿膜加溫至80?120°C，保溫30分鐘；
[0032](5)將步驟（4)得到的帶有CH3NH3PbX2I簿膜的玻璃襯底正面朝上水平放置，并在CH3NH3PbX2I簿膜表面放一軟性墊片6，在軟性墊片上設(shè)置一層平板7，在平板之上施加一個(gè)50?100牛的壓力，維持12?48小時(shí)，得到擠壓優(yōu)化的鈣鈦礦太陽電池吸收層CH3NH3PbX2I ο
[0033]上述制備方法中，襯底可以為ITO導(dǎo)電玻璃、FTO導(dǎo)電玻璃或普通玻璃。<