[发明专利]钙钛矿薄膜的制备方法、钙钛矿薄膜以及太阳能电池器件

说明书

本发明提供一种钙钛矿薄膜的制备方法、钙钛矿薄膜以及使用该钙钛矿薄膜的太阳能电池器件、磁控溅射仪。所述制备方法包括如下步骤：a)将钙钛矿制成靶材；b)使用步骤a)中获得的所述靶材，利用磁控溅射仪进行溅射，得到未处理薄膜；c)任选地，对步骤b)得到的薄膜进行后处理，所述后处理包括真空状态下进行碘甲胺气相处理和惰性气体氛围下进行甲胺气体处理，随后进行退火、冷却，得到钙钛矿薄膜。通过本发明的钙钛矿薄膜的制备方法可获得高质量的磁控溅射薄膜，并通过使用通过该方法制备的钙钛矿薄膜，结合后续的处理工艺及其它功能层，可以获得高质量的钙钛矿太阳能电池器件。

技术领域

本发明属于光伏器件制造领域，具体涉及一种钙钛矿薄膜的制备方法以及使用该钙钛矿薄膜的太阳能电池器件，可用于制备该钙钛矿薄膜的磁控溅射仪。

背景技术

可持续能源供应和环境保护是世界发展中最重要的问题之一。目前可供选择几种新能源形式如太阳能、水力发电、风力和核电都具有较为广阔的前景。其中，太阳能因其取之不尽、用之不竭以及绿色无污染而越来越得到研究人员的青睐。一年的太阳能可以提供全球已知化石燃料燃烧产生的100倍以上的能量。光催化和光伏是太阳能利用的两个最重要的途径。光伏是一种利用具有光伏效应的半导体将太阳辐射转化为电能的方法。第一个光伏太阳能电池于1883年建成，1954年生产的硅太阳电池的效率为4.5-6％。

太阳能电池领域可分为三代。第一代太阳能电池是基于在实验室中具有单个p-n结晶体Si的太阳能电池，最大转换效率25％。虽然电池效率相对较高，但其制造和安装成本较高。第二代太阳能电池包括使用非晶硅、多晶硅或微晶硅、碲化镉或铜(镓)铟硒化物/硫化物等制备的太阳能电池。由于材料和加工成本的降低以及制造生产能力的提高，这些太阳能电池比单晶太阳能电池成本更低。但是这些电池的效率一般低于第一代太阳能电池。在过去十年中开发的第三代太阳能电池被广泛定义为半导体器件，可以配置为在支撑衬底上沉积的薄膜或纳米晶量子点。主要的研究方向主要是使转化效率超过S-Q效率极限31％。目前，第三代太阳能电池的主要目标是以更低的成本保持高的太阳能转换效率，例如使用成本低廉的制造技术，如旋涂、喷雾沉积和印刷。

近年来，钙钛矿太阳能电池因其独特的优异性能成为全世界研究的一大热点。钙钛矿材料由于具有较宽范围的强光吸收、长激子扩散长度、长载流子寿命和高载流子迁移率等而受到越来越多的关注。杂化钙钛矿材料在之前主要用作场效应晶体管、发光二极管和光电探测器。直到2009年，钙钛矿才被尝试作为敏化太阳能电池中的敏化剂。钙钛矿太阳能电池(PSCs)的功率转换效率(PCE)从3.8％迅速增加到25％。目前，新型有机-无机杂化钙钛矿太阳电池具有效率高、成本低、制备工艺简单等优点，被认为是光伏研究中最重要的突破之一。

由于杂化钙钛矿以前的主要应用是以光电器件应用为中心的，所以在太阳能电池或发光器件中需要更高质量的钙钛矿薄膜。近年来，钙钛矿薄膜的制备得到了广泛的研究，并取得了巨大的进展。主要包括溶液化学法、无溶剂气相沉积法。

溶液化学法制备钙钛矿薄膜具有相对成本低、工艺简单的优势，成为主流的制备高质量的钙钛矿薄膜的方法。用于沉积钙钛矿薄膜的溶液化学法可分为一步法和两步法。在典型的一步法中，钙钛矿薄膜直接从前体溶液或前体源沉积，其与大多数膜沉积技术相似。在典型的二步法中，由于CH₃NH₃I可以通过插层与PbI₂合成CH₃NH₃PbI₃钙钛矿，所以首先包括第一步PbI₂沉积，然后在第二步中转换为CH₃NH₃PbI₃。

在一步法中，由于钙钛矿薄膜收缩，很难获得高质量且均匀的平面钙钛矿薄膜。一步法钙钛矿薄膜收缩问题与溶剂的同步蒸发和钙钛矿的结晶有关。据报道，有多种一步沉积高覆盖率高质量钙钛矿薄膜的方法，它们通常遵循两种策略：(1)延迟结晶形成平滑的前驱体膜，随后缓慢结晶以形成钙钛矿；(2)快速结晶，在溶剂蒸发完成之前，通过加速钙钛矿的成核/结晶过程，直接获得高质量的钙钛矿薄膜。