一种钙钛矿薄膜制备方法、钙钛矿太阳能电池及制备方法

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及一种钙钛矿薄膜制备方法、包括采用所述钙钛矿薄膜制备方法制备的钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、随着人类社会的不断发展，对于能源的要求越来越多。传统的能源，如：石油，天然气，煤炭等都是属于不可再生能源。不仅储存量日益减少，而且给环境带来了比较大的污染。所以大力发展可再生的绿色清洁能源就显得极为迫切和重要。其中太阳能尤为突出，取之不尽用之不竭，不会给环境造成影响。其应用研究已经受到越来越多的重视。开发清洁无污染且储量巨大的太阳能成为科研人员所关注与研究的热点。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池由于具有低成本、高转换效率、适合工业化生产等显著优点，自2009年问世以来，其光电转换效率迅速上升到25.7％。

2、钙钛矿太阳能电池制备过程中，较为影响器件性能即为钙钛矿薄膜，制备过程中，结晶速率较快，缺陷较多，会影响载流子传输效率，阻碍其光电转化效率。并且因为钙钛矿其本身的性质，极易受到水氧外界因素的影响，从而降低器件的稳定性。解决这一问题的一个好的方法即为在制备钙钛矿前驱体溶液的过程中使用添加剂，利用添加剂与钙钛矿材料的反应，降低各种缺陷，提高光电转化效率。

3、目前所用的添加剂材料包括聚合物、富勒烯、纳米颗粒、金属和金属有机盐、有机化合物等等，其中有关于有机化合物添加剂的报道都集中在含有c＝o、-oh、-cooh、-nh2等常见具有配位作用官能团上，类似于p＝o的有机小分子却很少被挖掘，报道极少。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的上述情况，本发明提出一种钙钛矿薄膜制备方法、包括采用所述钙钛矿薄膜制备方法制备的钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，本发明以基于刚性芴平面的磷酸酯有机小分子作为提高钙钛矿吸光层光电转换效率的添加剂，提高太阳能电池的光电转化效率。

2、按照本发明的一个方面，提供一种钙钛矿薄膜制备方法，包括：

3、步骤1：制备钙钛矿前驱体溶液；

4、步骤2：将有机小分子添加剂加入制备好的钙钛矿前驱体溶液中；

5、步骤3：采用溶液旋涂法，将添加有有机小分子添加剂的钙钛矿前驱体溶液在基片上制备得到钙钛矿薄膜；

6、其中，所述有机小分子添加剂的小分子结构包括磷酸酯和芴的刚性平面联苯结构。

7、在本发明的一个实施例中，所述钙钛矿前驱体溶液为abx3型钙钛矿材料的前驱体溶液，其中，a为cs、ma、fa中的至少一种，b为pb或sn，x为cl、br、i中的至少一种；所使用的体系为((fa0.95cs0.05)pbi3)0.975(mapbbr3)0.025。

8、在本发明的一个实施例中，所述有机小分子添加剂加为二芴磷酸酯。

9、在本发明的一个实施例中，所述有机小分子添加剂的添加浓度为：1mg/ml～5mg/ml。

10、在本发明的一个实施例中，所述步骤3包括：

11、步骤3.1：利用匀胶机，采用溶液旋涂法在基片上旋涂添加有有机小分子添加剂的钙钛矿前驱体溶液，制备得到钙钛矿湿膜；

12、步骤3.2：对所述钙钛矿湿膜进行退火处理得到所述钙钛矿薄膜。

13、在本发明的一个实施例中，在所述步骤3.1中，旋涂工艺参数为：第一步中，旋转速度1000r/s，旋涂时间10s；在第二步中，旋转速度为5000r/s，旋涂时间30s，在最后第5s将300μl乙酸乙酯滴加在薄膜表面使其快速饱和。

14、在本发明的一个实施例中，在所述步骤3.2中，退火处理工艺参数为：退火时间10min，退火温度150℃。

15、按照本发明的再一个方面，提供一种钙钛矿太阳能电池，包括自下而上依次层叠设置的衬底、阴极、电子传输层、钙钛矿吸光层、钝化层、空穴传输层和阳极，其中所述钙钛矿吸光层包括按照如上所述的钙钛矿薄膜制备方法制备得到的钙钛矿薄膜。

16、按照本发明的另一个方面，提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：

17、s1：依次使用洗涤剂水溶液、超纯水、乙醇、异丙醇和去离子水，将ito导电衬底用超声波清洗器清洗15min，氮气枪吹干后置于紫外臭氧中预处理；

18、s2：将配制好的sno2胶体溶液旋涂在预处理后的ito衬底基片上，旋涂工艺参数为：旋转速度为4000r/s，旋涂时间20s，并置于加热台在150℃条件下退火30min，形成电子传输层；

19、s3：将有机小分子添加剂加入制备好的钙钛矿前驱体溶液中，采用溶液旋涂法，将添加有有机小分子添加剂的钙钛矿前驱体溶液在电子传输层上旋涂得到钙钛矿湿膜，然后将制备好的基片放在加热台上进行退火处理形成钙钛矿吸光层，其中，所述有机小分子添加剂的小分子结构包括磷酸酯和芴的刚性平面联苯结构，所述钙钛矿前驱体溶液为abx3型钙钛矿材料的前驱体溶液，其中，a为cs、ma、fa中的至少一种，b为pb或sn，x为cl、br、i中的至少一种；溶液旋涂分两步进行，其中在第一步中，旋转速度1000r/s，旋涂时间10s；在第二步中，旋转速度为5000r/s，旋涂时间30s，在最后第5s将300μl乙酸乙酯滴加在薄膜表面使其快速饱和；

20、s4：在钙钛矿吸光层上旋涂苯乙基碘化铵钝化层；其中，旋涂工艺参数为：旋转速度为3000r/s，旋涂时间30s，在最后第15s将30μl 5mg/ml苯乙基碘化铵的异丙醇溶液滴加在钙钛矿薄膜表面；

21、s5：在钙钛矿吸光层上旋涂空穴传输层，其中旋涂工艺参数为：旋转速度为4000r/s，旋涂时间30s；

22、s6：利用真空镀膜仪在空穴传输层上蒸镀太阳能电池的金属阳极，得到钙钛矿太阳能电池。

23、与现有技术相比，本发明的优势在于：

24、1.本发明的钙钛矿薄膜的制备方法，在钙钛矿前驱体溶液中加入有机小分子添加剂，该有机小分子添加剂的小分子结构包括磷酸酯和芴的刚性平面联苯结构，其中磷酸酯中的p＝o能与钙钛矿溶液中配位不足的pb2+离子结合，形成刘易斯络合物，从而钝化薄膜缺陷；芴的刚性平面联苯结构使其分子具有特殊的共轭大平面，该结构有利于电荷传输，可以提供较好的稳定性和导电性；同时，具有较强电子亲和性的磷酸酯基团可以捕获迁移电子，增加局部载流子浓度，加速光生过程中的载流子辐射重组。

25、2.本发明的钙钛矿太阳能电池制备方法，在钙钛矿吸光层制备过程中利用有机小分子添加剂材料中促进结晶钝化缺陷的协同作用，可以更高效的优化钙钛矿薄膜的生长，从而显著提高太阳能电池的光电转化效率。

技术特征：

1.一种钙钛矿薄膜制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜制备方法，其中所述钙钛矿前驱体溶液为abx3型钙钛矿材料的前驱体溶液，其中，a为cs、ma、fa中的至少一种，b为pb或sn，x为cl、br、i中的至少一种。

3.按照权利要求1所述的钙钛矿薄膜制备方法，其中所述有机小分子添加剂加为二芴磷酸酯。

4.按照权利要求1或3所述的钙钛矿薄膜制备方法，其中所述有机小分子添加剂在钙钛矿前驱体溶液中的添加浓度为1mg/ml～5mg/ml。

5.按照权利要求按照权利要求1或3所述的钙钛矿薄膜制备方法，其中所述有机小分子添加剂在钙钛矿前驱体溶液中的添加浓度为1mg/ml、3mg/ml或5mg/ml。

6.按照权利要求1所述的钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3包括：

7.按照权利要求6所述的钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤3.1中，溶液旋涂分两步进行，其中在第一步中，旋转速度1000r/s，旋涂时间10s；在第二步中，旋转速度5000r/s，旋涂时间30s，在最后第5s将300μl乙酸乙酯滴加在薄膜表面使其快速饱和。

8.按照权利要求6所述的钙钛矿薄膜的制备方法，其中在所述步骤3.2中，退火处理工艺参数为：退火时间10min，退火温度150℃。

9.一种钙钛矿太阳能电池，包括自下而上依次堆叠设置的衬底、阴极、电子传输层、钙钛矿吸光层、钝化层、空穴传输层和阳极，其特征在于所述钙钛矿吸光层包括按照权利要求1～8任意之一所述的方法制备得到的钙钛矿薄膜。

10.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种钙钛矿薄膜制备方法，包括以下步骤：步骤1：制备钙钛矿前驱体溶液；步骤2：将有机小分子添加剂加入制备好的钙钛矿前驱体溶液中；步骤3：采用溶液旋涂法，将添加有有机小分子添加剂的钙钛矿前驱体溶液在基片上制备得到钙钛矿薄膜；其中所述有机小分子添加剂的结构包括磷酸酯和芴的刚性平面联苯结构。本发明还涉及采用所述钙钛矿薄膜制备方法制备的钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池及制备方法。本发明以基于刚性芴平面的磷酸酯有机小分子作为提高钙钛矿吸光层光电转换效率的添加剂，提高太阳能电池的光电转化效率。

技术研发人员：王凯,程才东,姚毅国
受保护的技术使用者：西北工业大学深圳研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14