[发明专利]太阳能电池用钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子材料与器件领域，具体涉及一种利用微纳结构界面诱导快速生长高相纯、高结晶质量有机金属卤化物钙钛矿薄膜的方法。

背景技术

有机金属卤化物钙钛矿材料自2009年作为光吸收层应用到太阳能电池中以来，钙钛矿电池的能量转化效率世界纪录从3.8%迅速提高到20%以上，在解决日益严重的能源问题上展现出巨大的应用潜力。如此迅速的性能提升从根本上来讲是由于有机金属卤化物钙钛矿材料自身优异的光电性能，如直接带隙结构、光吸收系数大、载流子迁移率高和扩散长度大等。然而，生长以高物相纯度、高结晶性、形貌均一和高表面覆盖率等为主要特征的高质量钙钛矿薄膜被认为是制备包括高效率钙钛矿太阳能电池在内的高性能光电子器件的最重要前提。

截止目前，已发展出多种钙钛矿薄膜的制备方法，如两步连续沉积法、一步法、真空蒸发等。其中，两步连续沉积方法因具有低成本和易操作等优势而成为目前最广泛采用的方法之一。该方法首先在全介孔异质结钙钛矿电池的制备中取得成功，但将其用于制备平面异质结和双层介孔异质结钙钛矿电池时，碘化铅不能快速完全转化成钙钛矿的问题出现，原因是由于碘化铅层或部分碘化铅层缺乏金属氧化物介孔结构的限制生长，致使其晶粒尺寸大且结晶致密，不利于其与甲胺碘分子的反应。尽管在残余碘化铅对钙钛矿电池性能有利或有害这一问题上目前尚存争议，但综合考虑钙钛矿电池制备与性能的可重复性和稳定性，实现碘化铅快速、完全地转化成高质量钙钛矿是非常重要的。

为实现高相纯、高形貌均一的钙钛矿薄膜的制备，目前研究人员已提出了一些解决方法，如 “layer-by-layer”方法（即通过真空蒸镀方法每沉积一薄层铅卤化物薄膜后立即与甲胺碘溶液反应形成钙钛矿，如此往复直至形成目标厚度的钙钛矿层），利用强配位溶剂与碘化铅形成无定型碘化铅前驱物法，连续真空沉积法，互扩散+溶剂退火方法，以及添加剂方法等。虽然这些方法均在不同程度上提高了碘化铅的转化速率和转化比率，但也存在工艺复杂、需要利用真空技术和（或）高温处理等问题。因此发展一种简单、快捷的高质量有机金属卤化物钙钛矿薄膜的制备方法将有助于该类电池的性能提升和大规模、低成本制造。

发明内容

本发明为解决目前平面异质结和双层介孔异质结钙钛矿电池制备过程中金属卤化物不能快速、完全转化为高相纯、高均一形貌钙钛矿的问题，提供一种面向太阳能电池应用的高质量有机金属卤化物钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法。

本发明所述太阳能电池用钙钛矿薄膜的微纳结构界面诱导生长方法包括如下步骤：

（1）将金属卤化物溶解在二甲基甲酰胺中，并添加与金属卤化物摩尔比为1:1-1:2的强配位溶剂，于60 °C下进行搅拌，得到澄清、透明的金属卤化物前驱体溶液；所述金属卤化物前驱体溶液的浓度为0.5-1.5 mol/L；

（2）在1000-6000 rpm转速下将金属卤化物前驱体溶液旋涂在柔性或非柔性基底上得到金属卤化物薄膜；

（3）将50-500 μL反溶剂滴到金属卤化物薄膜上并停留0-25s后，在1000-6000rpm转速下旋干，得到具有微纳结构界面的多孔结构金属卤化物薄膜；

（4）将多孔结构金属卤化物薄膜浸入到有机卤化物分子的异丙醇溶液中，反应10s-500s后取出并用异丙醇冲洗，得到钙钛矿薄膜；

（5）将所得钙钛矿薄膜在100°C下进行10min退火处理，制得高质量有机金属卤化物钙钛矿薄膜。

所述金属有机卤化物钙钛矿结构式为ABX₃，其中B为铅阳离子或铅与锡的混合阳离子，A为CH₃NH₃和NH₂-CH=NH₂中的至少一种，X为碘离子或者是碘离子与氯离子和/或溴离子的混合离子。

步骤（1）-（4）中所述金属卤化物为MX₂，其中M为铅阳离子或铅与锡的混合阳离子，X为碘离子或者是碘离子与氯离子和/或溴离子的混合离子。

步骤（1）中所述金属卤化物的强配位溶剂为二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮等极性溶剂中的一种或多种。

步骤（3）中所述反溶剂为氯苯或甲苯或乙醇或异丙醇或至少其中任意两种反溶剂的混合液。