一种实时监测钙钛矿薄膜成膜质量的设备的制作方法

本实用新型涉及太阳能电池生产设备的技术领域，特别涉及一种实时监测钙钛矿薄膜成膜质量的设备。

背景技术：

太阳能电池是一种光电转换器件，利用半导体的光伏效应将太阳能转化为电能。发展至今，太阳能发电已经成为除水力发电和风力发电之外最重要的可再生能源。现用于商业化的半导体有单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒等等，但大多能耗大、成本高。

近年来，一种钙钛矿太阳能电池受到广泛关注，这种钙钛矿太阳能电池以有机金属卤化物为光吸收层。钙钛矿为ABX3型的立方八面体结构。此种材料制备的薄膜太阳能电池工艺简便、生产成本低、稳定且转化率高。自2009年至今，光电转换效率从3.8%提升至22%以上，已高于商业化的晶硅太阳能电池且具有较大的成本优势。

各种钙钛矿太阳能电池薄膜成型工艺可分为两大类：溶液法和气相法。溶液法操作简便，但薄膜均一性、重复性差，影响电池的效率。气相法有双源共蒸发法、气相辅助溶液法、化学气相沉积（CVD）等方法，其中气相溶液辅助法可制备晶粒均一、大晶粒尺寸、表面粗糙度小的钙钛矿薄膜，但各批次的重复性有待提高。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种实时监测钙钛矿薄膜成膜质量的设备，通过监测钙钛矿薄膜的生产过程中的各类性能参数，控制其反应进程，提高各批次钙钛矿薄膜生产的重复性。

本实用新型是这样实现的，提供一种实时监测钙钛矿薄膜成膜质量的设备，包括X射线衍射监测装置以及分析统计系统，所述X射线衍射监测装置的X射线监测数据传输至分析统计系统，所述X射线衍射监测装置包括滑动轨道、测角仪圆环、X射线发射装置、X射线接收装置及计步器、测量记录系统，所述滑动轨道、测角仪圆环、X射线发射装置以及X射线接收装置及计步器设置在真空密封舱内，在所述真空密封舱内设置有加热钙钛矿太阳能电池基片的加热装置，以及被蒸发控制系统控制的蒸发源，所述滑动轨道固定在真空密封舱内，所述测角仪圆环沿滑动轨道滑动，所述X射线发射装置以及X射线接收装置及计步器设置在测角仪圆环上，所述X射线接收装置及计步器绕测角仪圆环旋转，所述X射线发射装置不断改变入射角，发射的X射线投射到钙钛矿太阳能电池基片表面产生衍射，所述X射线接收装置及计步器把捕捉到衍射线的数据传输至测量记录系统，所述测量记录系统将该数据传输至分析统计系统，所述分析统计系统的分析数据反馈至蒸发控制系统。

进一步地，所述X射线衍射监测装置的测试次数与时间间隔由分析统计系统设置。

与现有技术相比，本实用新型的实时监测钙钛矿薄膜成膜质量的设备，对蒸镀生产过程中钙钛矿太阳能电池基片进行阶段性或连续性的X射线衍射测试，通过阶段性或连续性的X射线衍射测试了解钙钛矿太阳能电池基片表面薄膜的成分、晶体结构等信息，通过分析统计系统将分析数据反馈至蒸镀系统自动调节蒸镀参数，从而达到控制蒸镀反应进程，提高各批次钙钛矿薄膜生产的重复性目的。本实用新型可与各类气相蒸发设备结合制备钙钛矿太阳能电池薄膜，在不同时刻或阶段性监测钙钛矿薄膜生产过程的各类性能参数，从而控制薄膜的化学反应进程，使金属卤化物与卤化物蒸汽反应完全。

附图说明

图1为本实用新型实时监测钙钛矿薄膜成膜质量的设备一较佳实施例的立体示意图；

图2为钙钛矿太阳能电池基片薄膜在制备的不同反应阶段测试得到的X射线衍射图；

图3为采用本实用新型的设备和方法制备的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

首先说明现有的钙钛矿太阳能电池薄膜的生产方式。

第一步、首先在利用旋涂、刮涂、真空沉积等方法在玻璃基底上沉积一种或多种金属卤化物BX2薄膜。

第二步、将第一步制成的钙钛矿太阳能电池基片放入金属密封舱进行蒸镀加工，密封舱内放置一个或多个蒸发源蒸发反应物AX，蒸发反应物AX与钙钛矿太阳能电池基片上的金属卤化物BX2反应生成ABX3型钙钛矿薄膜。

第三步、蒸镀完成后取出钙钛矿太阳能电池基片进行后续加工。

在第一步中，B为二价金属阳离子，可为铅、锡、钨、铜、锌、镓、锗、砷、硒、铑、钯、银、镉、铟、锑、锇、铱、铂、金、汞、铊、铋、钋中任意一种阳离子，X为碘、溴、氯、砹中任意一种阴离子。BX2薄膜厚度在80nm~300nm。

在第二步中，A为铯、铷、胺基、脒基或者碱族中任意的一种阳离子，X为碘、溴、氯、砹中任意一种阴离子。制备的钙钛矿ABX3型薄膜厚度为100nm~500nm。

请参照图1所示，本实用新型实时监测钙钛矿薄膜成膜质量的设备的较佳实施例，适用于制备前述的钙钛矿太阳能电池及其他光电器件。因为X射线衍射测试可了解材料的成分、晶体结构等信息，各个物质都存在特定X射线衍射峰，因而通过X射线衍射可分析检测钙钛矿太阳能电池的薄膜蒸镀反应过程中不同阶段钙钛矿薄膜的成分、晶体结构等信息，使探索分析最优的蒸镀条件成为可能。也可通过已知的XRD图谱与实时测试得到的XRD谱图对比，了解此阶段钙钛矿薄膜的反应程度，并将分析后的信息反馈于蒸镀控制系统，从而控制反应进程或其他蒸镀参数。

本实用新型实时监测钙钛矿薄膜成膜质量的设备的较佳实施例，包括X射线衍射监测装置以及分析统计系统1，所述X射线衍射监测装置的X射线监测数据传输至分析统计系统1。

所述X射线衍射监测装置包括滑动轨道2、测角仪圆环3、X射线发射装置4、X射线接收装置及计步器5以及测量记录系统6。所述滑动轨道2、测角仪圆环3、X射线发射装置4以及X射线接收装置及计步器5设置在真空密封舱7内。

在所述真空密封舱7内设置有加热钙钛矿太阳能电池基片8的加热装置9，以及被蒸发控制系统控制的蒸发源10。在本实施例中，在所述真空密封舱7设置了多个蒸发源10。

所述滑动轨道2固定在真空密封舱7内，所述测角仪圆环3沿滑动轨道2滑动，所述X射线发射装置4以及X射线接收装置及计步器5设置在测角仪圆环3上，所述X射线接收装置及计步器5绕测角仪圆环3旋转。

在X射线衍射监测装置需要进行测试时，所述测角仪圆环3沿滑动轨道2滑动至钙钛矿太阳能电池基片8处，所述X射线发射装置4以及X射线接收装置及计步器5开始工作进行测量。待测试结束后，所述测角仪圆环3沿滑动轨道2从钙钛矿太阳能电池基片8处移开，不影响钙钛矿太阳能电池基片8蒸镀过程。测试过程中，所述X射线发射装置4不断改变入射角θ，所述X射线接收装置及计步器5绕测角仪圆环3旋转，接收不同衍射角2θ对应的衍射强度。

所述X射线发射装置4发射的X射线投射到钙钛矿太阳能电池基片8表面产生衍射，所述X射线接收装置及计步器5把捕捉到衍射线的数据传输至测量记录系统6。所述测量记录系统6将该数据传输至分析统计系统1。所述分析统计系统1的分析数据反馈至蒸发控制系统（图中未示出）。

所述X射线接收装置及计步器5实时地监测经过钙钛矿太阳能电池基片8表面的X射线的衍射线并通过测量记录系统6接收处理后传输至分析统计系统1，再由此系统反馈于蒸发控制系统，从而通过所述蒸发控制系统调节其他蒸镀参数，控制反应进程。

本实用新型的实时监测设备可在各种制造钙钛矿电池的蒸发系统中共同或单独使用，也可与其他测试方法结合使用。所述X射线衍射监测装置的测试次数与时间间隔由分析统计系统1设置。

下面结合具体实施例来说明本实用新型的实时监测钙钛矿薄膜成膜质量的设备。

实施例1

一种使用本实用新型的实时监测钙钛矿薄膜成膜质量的设备和方法进行钙钛矿成膜的太阳能薄膜电池的制备过程，包括以下步骤：

（1）将2.5×2.5cm的ITO玻璃板依次经洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇超声各清洗30min，再用N2吹干后经UV O-zone处理10min。

（2）旋涂PEDOT:PSS，90℃~150℃烘干5min~20min，制备得到空穴传输层。

（3）将PbI2溶解于DMF中，浓度为1M，70℃搅拌2h，在PEDOT:PSS上层旋涂得到PbI2薄膜，70℃~100℃退火5min~60min。

（4）将沉积有PbI2薄膜的基片放入真空密封舱，开启蒸发源蒸发MAI。

（5）开启X射线衍射监测装置以及分析统计系统，X射线发射装置不断改变入射角θ发出的X射线照射到钙钛矿太阳能电池基片表面产生衍射，所述X射线接收装置及计步器绕测角仪圆环旋转，接收不同衍射角对应的衍射线，并将接收到的衍射线的数据传输至测量记录系统，在检测分析系统中设置测试时间间隔，测试角度范围为10^o -60^o。

（6）反应结束，从真空密封舱内取出制备好的钙钛矿太阳能电池基片，在钙钛矿太阳能电池基片上沉积电子传输层PCBM。

（7）蒸镀金属导电层Au电极，得到太阳能电池。

图2为钙钛矿太阳能电池基片薄膜在制备的不同反应阶段测试的钙钛矿薄膜的X射线衍射图，随着反应的进行，PbI2的特征峰逐渐减弱，钙钛矿的特征峰逐渐增强，至反应结束，PbI2的特征峰完全消失。

图3为采用本实用新型的实时监测钙钛矿薄膜成膜质量的设备及其监测方法制备的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线，从图中可以看出PCE达16.47%。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。