[发明专利]一种使用化学气相沉积法制备钙钛矿薄膜太阳能电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，特别涉及一种使用化学气相沉积法制备钙钛矿薄膜太阳能电池的方法。

背景技术

在过去的几年中，低成本、高效率的卤化铅钙钛矿薄膜太阳能电池的快速发展引发了人们对钙钛矿太阳能电池的高度关注。在短短四年中，这类太阳能电池的能量转换效率(PCE)从3.8％增加到19.3％，使其在效率方面可以与商业化的晶体硅太阳电池相媲美。而CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃PbI_3-xCl_x等卤化铅钙钛矿材料，由于其具有优异的光学和电学性质已经成为制备低成本、高效率的太阳能电池的优选材料。众所周知钙钛矿材料根据不同的金属卤化物框架和有机组成部分可以有很多不同的成分和结构，这在很大程度上影响钙钛矿薄膜的性能。

目前，有两种比较普遍的方法制备钙钛矿太阳能电池，如利用溶液沉积法和气相蒸发法可以分别用来制备介孔和平面异质结钙钛矿太阳能电池。溶液法虽然制备方法比较简单，但是需要旋涂，制备大尺度器件比较有挑战。而气相法由于一般需要高真空环境，成本比较高。

发明内容

为克服上述技术缺陷，本发明公开了一种使用化学气相沉积法制备钙钛矿薄膜太阳能电池的方法，该方法操作简单、钙钛矿薄膜晶粒大、晶界少、均匀性好且表面覆盖好。

本发明的技术方案如下：一种使用化学气相沉积法制备钙钛矿薄膜太阳能电池的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对衬底进行预处理；

(2)在预处理后的衬底表面涂覆TiO₂致密层；

(3)将甲基碘化胺和卤化铅分别放入两个坩埚中并置于管式炉上风口，涂覆有TiO₂致密层的衬底置于管式炉下风口，甲基碘化胺和卤化铅两种反应源同时蒸发成为气相反应源，通过惰性气体运载气相反应源至衬底，加热衬底完成反应，获得钙钛矿材料层；

(4)在钙钛矿材料层上旋涂制备spiro-OMeTAD(2，2’，7，7’-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’-螺二芴)太阳能电池空穴传输层；

(5)将步骤(1)-(4)制备的器件烘干，完成阴极金属电极沉积，得到钙钛矿薄膜太阳能电池。

所述步骤(1)中衬底为FTO导电玻璃。

所述步骤(1)中预处理方法为，首先使用氩离子减薄仪减小FTO衬底的表面粗糙度；其次将衬底依次浸入丙酮、聚乙二醇单辛基苯基醚去离子水溶液中采用超声处理；再次将衬底使用去离子水冲洗并放入异丙醇中超声处理；最后使用去离子水清洗衬底，放入去离子水中超声处理并风干。

所述步骤(2)中涂覆方法为，首先在衬底表面旋转涂布两次形成70-90纳米厚的TiO₂致密层，两次使用的旋涂液分别为0.15mol/L和0.3mol/L的二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的异丙醇溶液；其次将衬底烘干后，衬底在空气中进行烧结；然后在TiCl₄水溶液中浸泡；最后使用去离子水冲洗后在空气中退火，形成致密的n型层状TiO₂。

所述步骤(3)中卤化铅为氯化铅或碘化铅。

所述步骤(5)中，将管式炉上风口的甲基碘化胺加热至温度为115-125℃，将氯化铅加热至350-370℃，将碘化铅加热至290-310℃，将管式炉下风口的衬底加热至80℃，30分钟后在管式炉的下风口使用100℃原位退火60分钟。

所述步骤(4)将spiro-OMeTAD在2000-4000转/分的速率下旋涂20-60秒，其中旋涂溶液为spiro/氯苯溶液，添加剂为双三氟甲烷磺酰亚胺锂/乙腈溶液和和4-叔丁基吡啶。

于所述旋涂速率为3000转/分，旋涂时间为40秒；spiro/氯苯溶液浓度为80mg/ml，添加浓度为500mg/ml的双三氟甲烷磺酰亚胺锂/乙腈溶液17.5ml，添加28.5ml4-叔丁基吡啶。

所述步骤(5)中，将旋涂好的器件放置在干燥箱12小时，并使用真空热蒸发方法镀上背面金电极，完成阴极沉积。

本发明的有益效果为：

(1)本发明利用简单的气相运输方法，开发了一种简单的一步的化学气相沉积(CVD)法，不依赖高真空设备来制备卤化物钙钛矿太阳能电池，使其能量转化效率超过11％；