[发明专利]一种适于各种衬底形状的钙钛矿薄膜大面积制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适于各种衬底形状的钙钛矿薄膜大面积制备方法，属于薄膜太阳能电池光伏器件的制备工艺领域。

背景技术

随着人类社会的高速发展，人们对能源的需求也迅速增加，从而导致能源危机和环境污染的逐渐加剧，引发了人们对可持续能源的迫切需求。在风电、水电、地热能、生物质能和太阳能等各种可再生能源中，太阳能是安全、无污染、不受地理条件限制、应用范围最广，最具有发展前途的一种。2009年，有机-无机杂化钙钛矿被Miyasaka等人第一次应用于光伏领域，利用CH₃NH₃PbI2₃作为光吸收层，取得了3.8％的光电转换效率。此后，短短几年内，钙钛矿太阳能电池在光电转换效率上取得了重大进展。根据美国可再生能源实验室最新公布的电池效率数据，钙钛矿太阳能电池目前认证的最高效率已高达20.1％，使其超越了传统的染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池，成为最具实用化前景的第三代薄膜太阳能电池。钙钛矿太阳能电池也因此被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。

钙钛矿太阳能电池一般是通过在导电玻璃上依次沉积电子传输层、钙钛矿光吸收层薄膜、空穴传输层及顶电极而形成；其中高质量钙钛矿光吸收层薄膜的制备方法是钙钛矿太阳电池产业化的关键技术之一。传统的钙钛矿太阳能电池光吸收层薄膜制备方法一般分为双源共蒸发法、溶液法、气相辅助法。Snaith等人发展了双源共蒸发法制备钙钛矿薄膜，即将钙钛矿前驱体PbI₂和CH₃NH₃I在高真空情况下蒸镀到基底上，然后退火处理获得钙钛矿薄膜(Nature，501，395-398，2013)，这种方法得到的薄膜均匀性、结晶性都非常高，但是该方法所需的真空设备昂贵、制备过程复杂，且参数要求控制精确，所需控制因素较多。西安交通大学的尹行天等人通过溶液法制备钙钛矿薄膜，并且在旋涂最后阶段，通过滴加有机溶剂对薄膜进行处理，得到均匀光滑的钙钛矿薄膜(CN 104900810 A)。合肥工业大学的罗派峰等人通过旋涂PbI₂薄膜，然后气相辅助法制备出致密、均匀的钙钛矿薄膜(CN 104393109 A)。上述的溶液法与气相辅助法均需要旋涂前驱体溶液，溶液旋涂法的使用限制了钙钛矿薄膜的大规模制备，旋涂出的薄膜具有粗糙多孔、重复性差、薄膜覆盖率等缺点。更为重要的是，旋涂法无法制备出大面积的薄膜，难以工业化应用放大。同时，旋涂工艺的衬底材料必需为平面结构的刚性衬底，对于曲面、球面等复杂形状的刚性衬底，难以用溶液旋涂法制备；而对于柔性衬底更难以进行旋涂操作，限制了柔性钙钛矿光伏器件的开发应用。为此，研发低成本、操作简单、可大面积放大且适于各种衬底形状结构及材质生长的钙钛矿薄膜材料制备技术就显得尤为重要。

发明内容

针对以上现有技术的缺陷，本发明提供一种适于各种衬底形状的钙钛矿薄膜大面积制备方法，该方法成本低廉、操作简单、可大面积放大，同时对衬底形状及材质无特殊要求。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明适于各种衬底形状的钙钛矿薄膜大面积制备方法，其特点在于包括如下步骤：

1)将任意形状的刚性或柔性衬底清洗、吹干，备用；

2)将硝酸铅、硫脲、氨水和去离子水加入烧杯中，搅拌溶解，获得硫化铅反应溶液；

3)将步骤1)处理后的衬底放入步骤2)制备的硫化铅反应溶液中，然后放入水浴锅中反应，即在衬底表面生成PbS薄膜；反应结束后取出、用去离子水冲洗表面、吹干，备用；

4)先将PbS薄膜与碘反应转化为PbI₂薄膜；然后将PbI₂薄膜浸泡在CH₃NH₃I溶液中，通过溶液浸泡法获得钙钛矿光吸收层CH₃NH₃PbI₃薄膜；

或者：将PbS薄膜与CH₃NH₃I粉末作为反应物，通过化学气相沉积法获得钙钛矿光吸收层CH₃NH₃PbI₃薄膜。

上述制备方法具体是按如下步骤进行：

1)将任意形状的刚性或柔性衬底依次用肥皂水、丙酮、乙醇超声清洗，然后用氮风吹干，备用。