[发明专利]一种稳定高效二维层状钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种在空气中制备稳定高效二维层状钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于在空气中，通过整个旋涂过程中持续加热实现微米级钙钛矿晶粒的生长，制备出均一平整的高质量钙钛矿薄膜和稳定高效的钙钛矿光伏器件。本发明所公开的“整个旋涂过程持续加热”的方法，致使溶剂快速挥发加速晶粒的生长和转化，同时，也有利于二维层状钙钛矿沿着垂直于基底方向生长，最终形成平整致密均一的钙钛矿薄膜。本发明所公开的方法不需要惰性氛围的保护，有利于实现钙钛矿的大面积制备，降低成本。

技术领域

本发明涉及钙钛矿太阳能电池领域，更具体的涉及一种稳定高效的二维层状钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

近年来，钙钛矿太阳能电池在光伏技术领域，发展迅速，其光电效率从最初的3.8％，在短短几年时间里迅速达到22.7％，这种增长速度在光伏领域是前所未有的。钙钛矿材料自身具有吸光性强、载流子迁移率高、载流子扩散距离长、带隙可调等优势，使得钙钛矿材料有望成为最理想的最理想的太阳能电池材料，甚至实现33％的能量转化效率。同时，钙钛矿太阳能电池可以通过简单的低温溶液法来制备，且可以在柔性衬底上制得可弯曲的柔性器件，相对与其他光伏技术，钙钛矿太阳能电池的生产过程简单、成本低且理论上可应用的范围更广。

目前高效率的钙钛矿太阳能电池主要是三维结构，这种结构虽然具有优异的光电性能，但是对环境中的水、氧、光都十分敏感，稳定性较差。在三维钙钛矿中加入长链胺或者芳香胺等有机分子制得二维层状钙钛矿可以极大的提高钙钛矿的疏水性，提高其在环境中的稳定性，而且改变有机分子的量可以直接影响钙钛矿的带隙，从而使得钙钛矿带隙的可调范围大大增大，更有利于寻找具有理想带隙的钙钛矿材料。不论是从理论研究还是从未来的大规模应用来考虑，二维层状钙钛矿太阳能电池的发展前景都是十分开阔的。

值得关注的是，钙钛矿的晶粒成长以及薄膜的形貌对于提高钙钛矿薄膜的效率是至关重要的。传统的二维层状钙钛矿薄膜的制备方式，得到的钙钛矿的晶粒会朝着不利于载流子传输的方向生长，使得器件效率极低。目前效率最高的二维层状钙钛矿太阳能电池需要采用基底预热的方式来制备钙钛矿薄膜，这种方式的基底温度在旋涂过程中很难控制，重复性差，且对操作者的技术要求较高。同时基底温度不均一会直接导致制得的钙钛矿薄膜厚薄不均，均一性变差。而且，目前二维层状钙钛矿的制备过程基本是在惰性氛围中进行的，不利于工业化大规模生产。

发明内容

本发明旨在提供一种空气中制备二维层状钙钛矿的方法，并且实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池。

传统的室温制备钙钛矿的方法，不利于钙钛矿晶粒朝着有益的方向生长，且溶剂挥发慢，残留较多等问题。而基底预热的方式，存在基底温度不均一、溶剂挥发速度不均一等问题。为了克服这些问题，本发明采用沸点较低的离子液体作为溶剂，运用整个旋涂过程持续加热稳定在一个合适的温度范围的方式，通过调节二维层状钙钛矿的溶度、旋涂转速、旋涂温度及时间、退火时间及温度，来实现溶剂快速均一的挥发，可以有效的调控二维层状钙钛矿的平均晶粒尺寸，同时使晶粒朝着垂直于基底的方向生长，最终得到表面均匀、致密、结晶度高的薄膜，提高钙钛矿的光电转化效率以及稳定性。此外对于传统的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚枫(DMSO)等溶剂，所用的醋酸甲胺(MAAc)、甲酸甲胺(MAFA)等离子溶剂的毒性大大降低，对环境更加友好；整个二维层状钙钛矿的薄膜完全在空气中进行，降低了生产成本，更有利于工业化大规模生产。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种稳定高效二维层状钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述钙钛矿吸光层的制备过程完全在空气中进行且整个过程持续加热，所述钙钛矿太阳能电池的器件结构依次包括透明导电衬底、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、界面修饰层和金属电极，所述空穴传输层和电子传输层由溶液法制备，所述界面修饰层和金属电极由热蒸发沉积方法制备，所述钙钛矿吸光层的制备包含以下步骤：