[发明专利]一种基于磁场调控的钙钛矿薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于磁场调控的钙钛矿薄膜的制备方法，属于太阳能电池技术领域。主要步骤包括：通过易于实现产业化的成膜工艺，采用碘化铅(lead(Ⅱ)iodide,PbI₂)和甲胺碘(CH₃NH₃I)的混合溶液，在制备过程中引入一定频率和强度的旋转磁场，再经过热处理，即可获得致密光滑、均匀性良好的钙钛矿晶体薄膜。在不采用真空设备、手套箱等条件下，本发明的方法同样能够制备光滑致密的钙钛矿薄膜，具有低成本、可大面积制备的优势。通过本方法获得的钙钛矿晶体薄膜作为光吸收材料应用在薄膜太阳能电池中，所制备的电池器件效率高、稳定性好，这对于实现高效率钙钛矿太阳能电池的低成本制备和产业化具有重要价值。

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿薄膜的新型调控制备方法，属于光电转化器件领域，尤其涉及新型钙钛矿太阳能电池钙钛矿吸光层成型的物理调控方法。

背景技术

随着社会的不断进步，人们对于不可再生能源的需求不断增加，导致其消耗也不断加快，同时也造成了环境的急剧恶化。在进入21世纪的今天，我们面临着环境恶化和能源耗竭等问题，这迫使我们加速由利用不可再生能源系统向可再生能源系统转变。因而，探索新型、复合、多样化、低成本的可再生能源，已经引起各国政府、科学界乃至企业界的广泛重视。目前，光伏技术的应用已经为我们提供了装机容量超过10GW的产品,其中占主导地位的为硅基太阳电池；但是因为其制备成本较高、工艺复杂、下游环境污染大，要想成为人类未来的主要清洁能源仍然存在巨大挑战。因此,寻找成本低廉、制备工艺简单、并且污染较小的新型太阳电池就很有必要。

钙钛矿太阳能电池是新型太阳电池中发展较为迅速的一类，有望克服以上所述问题。其效率由9％发展到今天超过22％仅用了不到十年的时间。这其中，制备工艺的不断突破是重要一环。对于新型钙钛矿电池的制备工艺，调控钙钛矿薄膜的沉积过程尤为重要，其决定了高质量的钙钛矿薄膜及其高性能器件的实现。目前，钙钛矿晶体薄膜的制备方法主要有两大类：物理气象真空蒸镀法和化学溶液沉积法。物理真空蒸镀法，通过共源蒸发原材料，使他们通过气相反应而获得钙钛矿薄膜，薄膜光亮平整、厚度精确可控，但是制备所需的真空设备价格昂贵，制备过程也较复杂，而且制备周期较长，使得工艺成本大大提高，在实际推广中存在一定的挑战。化学溶液沉积法，按照工艺步骤具体可分类为一步法和两步法。其中，一步法又有一步旋涂法和一步刮涂法。一步旋涂法，是将钙钛矿材料溶解在溶剂中，预先配成前驱体溶液，吸取一定量的前驱溶液滴加于衬底上，旋涂制备而成。此种方法所制备的薄膜质量高、厚度可控、成本不高，对应的器件效率目前已经突破20％。但是对于大面积薄膜的制备，此种方法略显乏力，因此制约着其对钙钛矿太阳能电池商业化的工艺普及。一步刮涂法，则是在放置于高温加热板的衬底上滴加前驱体溶液，用刀片刮涂该液滴使之均匀覆盖在衬底上，通过退火蒸发去掉溶剂，从而获取钙钛矿薄膜。不同与旋涂法的是，刮涂法不受衬底面积的限制，所使用的溶液量可降低2至3倍，这可以大大降低制备成本，无疑是产业化的福音；并且，一步刮涂法制备的薄膜具有稳定性好和吸光性能高等优点。但是，目前来看，一步刮涂法还没有一步旋涂法成熟，所制备出的器件平均效率仍较逊色，因薄膜平整度不理想所导致的迟滞现象也较为明显。此外，两步溶液沉积法，主要先通过旋涂PbI₂溶液制备出薄膜，然后通过在甲基碘化胺(methylammonium iodide，MAI)溶液中浸泡、或在MAI蒸汽中处理、或者通过旋涂方式旋涂一层MAI，促使PbI₂薄膜转化成钙钛矿薄膜。通过两步法获得的晶体薄膜质量一般比一步法好，但两步法也存在较难完全转化PbI₂为钙钛矿、浸泡周期长、以及薄膜表面粗糙等缺点。

以上所述的制备方法，主要以化学调控为主，如：可控制前驱体的体积量和旋涂的速度来控制薄膜厚度；通过改变溶剂类型，使PbI₂反应生成不同的中间相，来影响钙钛矿薄膜的结晶；控制溶剂的体积量来改变溶液的浓度，进而控制薄膜的覆盖度；通过改变退火的温度和时间，来改善薄膜结晶度；以及改变刮涂的速度和刮涂缝隙大小，来控制晶粒大小等。然而，各类溶剂的使用，在制备过程中均存在对人体甚至环境的负面影响，因而，寻求一种非化学溶液方式的调控手段尤显迫切。