一种基于钙钛矿表层缺陷原位刻蚀重构制备的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用

本发明属于新材料技术以及新能源，具体涉及一种基于钙钛矿表层缺陷原位刻蚀重构制备的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在光伏技术领域，钙钛矿太阳能电池以其突出的能量转换效率和低成本及易于制备等优势获得了广泛关注。钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层，还可用作电子和空穴传输层，由此可制备出不同结构的钙钛矿太阳电池，是新型薄膜太阳电池的重要发展方向之一。近年来，钙钛矿的制备工艺以及电池效率已实现飞速发展。尽管如此，钙钛矿的薄膜质量依然是制约电池性能的难题之一。

2、近年来，研究人员大多通过使用特定的添加剂优化钙钛矿薄膜的质量，从而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率及器件稳定性。但是目前钙钛矿薄膜由于组成上的多样化，很难使用普适性的方法对薄膜质量进行优化，因此阻碍了钙钛矿太阳能电池的制备与应用。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于钙钛矿表层缺陷原位刻蚀重构制备的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用，本发明可以解决现有技术中钙钛矿太阳能电池性能不佳、稳定性差的问题，通过工艺设计和优化获得高效率、高稳定的钙钛矿太阳能电池，而且本发明钙钛矿太阳能电池的制备方法具有环境稳定性好、性能高、成本低、适用范围广的优点，具有重要的理论意义和实用价值。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提出了一种基于钙钛矿表层缺陷原位刻蚀重构制备的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)、将透明导电玻璃基底进行图案刻蚀、清洗、表面等离子体处理，并在清洗干净的导电玻璃基底上构建电荷传输层；

5、(2)、配制钙钛矿前驱体溶液；

6、(3)、将所述钙钛矿前驱体溶液利用旋涂或刮涂在所述电荷传输层表面成膜后退火，制备得到高质量的钙钛矿薄膜；

7、(4)、将步骤(3)制备的钙钛矿薄膜浸入刻蚀溶剂中加热处理一定时间；

8、(5)、将步骤(4)处理得到的钙钛矿薄膜用异丙醇反复冲洗，随后通过加热挥发残留的异丙醇，获得表面缺陷原位刻蚀的钙钛矿薄膜。

9、进一步的，所述步骤(1)中的导电玻璃基底为fto或者ito，电荷传输层包括tio2、sno2和niox。

10、进一步的，所述步骤(2)中的钙钛矿前驱体溶液中钙钛矿成分组成为(famacs)pb(ibr)3，其浓度为0.7～1.5 mol/l。

11、将进一步的，所述步骤(3)中退火温度为100～300摄氏度，退火时间为1～60分钟。

12、将进一步的，所述步骤(4)中刻蚀溶剂为弱极性溶剂，包括但不限于甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸戊酯。

13、将进一步的，所述步骤(4)中刻蚀温度为50～150摄氏度，时间为1～15分钟。

14、将进一步的，所述步骤(5)中加热温度为100～300摄氏度，加热时间为1～20分钟。

15、将进一步的，所述步骤(5)中获得钙钛矿薄膜厚度为300～600纳米。

16、本发明还提供了一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池是在所述钙钛矿薄膜上通过构建电荷传输层以及电极获得的。所述电池的结构包括正式、反式以及碳电极等。

17、进一步的，所述钙钛矿太阳能电池的开路电压为1.1～1.4 v、短路电流为14～26ma·cm-2、填充因子为0.7～0.85、光电转换效率为14～25%。

18、本发明还提供了所述的钙钛矿太阳能电池在制备光伏电池、电池组件或者搭建电站中的应用。

19、与现有技术相比，本发明的优点和技术效果是：

20、1、本发明综合考虑了刻蚀剂所需的特定的极性、沸点、挥发性、成本等要求，通过大量实验最后选用了甲基丙烯酸乙酯作为刻蚀剂。甲基丙烯酸乙酯对钙钛矿的刻蚀能力适中，在不破坏深层钙钛矿的前提下能够刻蚀掉钙钛矿薄膜的浅层缺陷，为制备高效电池奠定了基础；加速钙钛矿太阳能电池的产业化进程，具有重要的实用价值和经济价值。

21、2、本发明通过将钙钛矿薄膜浸泡在甲基丙烯酸乙酯中刻蚀掉浅层缺陷同时进行原位重结晶制备高质量钙钛矿薄膜。该方法成本低，操作简单，效率高，可重复性好。经过刻蚀重结晶后的钙钛矿薄膜相比于不处理的钙钛矿薄膜，形貌更加平整，质量更好，环境稳定性更高。降低了缺陷态密度，有利于提高电池器件效率。

22、3、本发明中的刻蚀重结晶方法应用范围较宽。对所有具备钙钛矿层的电池器件通用。

23、利用本发明的技术方案，能够制备得到质量高的钙钛矿薄膜，进而获得成本低、环境稳定性好、性能高的钙钛矿太阳能电池，从而加速钙钛矿太阳能电池的产业化进程，因此具有重要的实用价值和经济价值。

技术特征：

1.一种基于钙钛矿表层缺陷原位刻蚀重构制备的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的导电玻璃基底为fto或者ito，所述电荷传输层包括tio2、sno2和niox。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的钙钛矿前驱体成分组成为(famacs)pb(ibr)3，其浓度为0.7～1.5 mol/l。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中退火温度为100～300摄氏度，退火时间为1～60分钟。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中刻蚀溶剂为弱极性溶剂，包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸戊酯中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中刻蚀温度为50～150摄氏度，时间为1～15分钟。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中获得的钙钛矿薄膜厚度为300～600纳米。

8.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池是在权利要求1制备得到的所述钙钛矿薄膜上通过构建电荷传输层以及电极获得的。

9.根据权利要求8所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池的开路电压为1.1～1.4 v、短路电流为14～26 ma·cm-2、填充因子为0.7～0.85、光电转换效率为14～25%。

10.权利要求8所述的钙钛矿太阳能电池在制备光伏电池、电池组件或者搭建电站中的应用。

技术总结
本发明公开了一种基于钙钛矿表层缺陷原位刻蚀重构制备的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用。所述制备方法具体是在钙钛矿太阳能电池制备过程中，将钙钛矿薄膜浸入弱极性溶剂中，由于钙钛矿薄膜与溶剂之间的相互作用关系，将钙钛矿薄膜的表层缺陷溶解，并在加热条件下实现原位重结晶，从而消除制备过程中产生的缺陷得到高质量的钙钛矿薄膜，以此制备高性能的钙钛矿太阳能电池。本发明中采用的溶剂原位刻蚀重结晶工艺操作简单、成本低廉、可控性强、适用范围广，可处理大面积钙钛矿薄膜，能够在钙钛矿产业化过程中广泛应用；由此方法制备的钙钛矿太阳能电池效率高、稳定性好，有利于加快钙钛矿太阳能电池的商业化进程。

技术研发人员：段加龙,李慧,唐群委
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/4