[发明专利]一种钙钛矿薄膜的制备方法及太阳能电池

说明书

本发明公开了一种钙钛矿薄膜的制备方法，主要是将铁酸铋加入到甲苯中作为反溶剂中，在旋涂过程中对钙钛矿活性层表面进行冲洗，以获得具有优异的晶粒尺寸、均匀和良好的表面粗糙度的薄膜，有利于提高载流子迁移率和扩散长度，提高电荷传输效率，应用到太阳能电池、发光器件和激光器件中能有效改善这类器件的性能。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种太阳能电池用的活性层的制备方法，尤其是一种钙钛矿薄膜的制备方法。

背景技术

钙钛矿材料是一类有着与钛酸钙(CaTiO3)相同晶体结构的材料，它最早在1839年由Rose发现于俄罗斯乌拉尔山的矽卡岩中，后来以俄罗斯地质学家Perovski的名字命名。狭义的钙钛矿是指矿物钛酸钙本身，而广义的钙钛矿则是指具有钙钛矿结构类型的ABX₃型化合物，其中A和B是两种阳离子，X是阴离子。这种特殊的晶体结构让它具备了很多独特的理化性质，比如吸光性、发光性、电催化等等，在物理、化学领域有诸多应用。特别是其具有优异的载流子迁移率，较长载流子的扩散长度和较少的激子结合能，使其在发光器件和太阳能电池的制备方面具有巨大优势，近年来发展迅速，受到人们的广泛关注。

对于以钙钛矿薄膜为活性层的器件来说，钙钛矿薄膜的晶胞生长情况和表面形貌对以钙钛矿薄膜为活性层的器件的一系列参数，包括发光器件的电压-电流密度，启亮电压，流明效率，以及太阳能电池器件的开路电压、短路电流密度、填充因子以及光电转换效率起着至关重要的作用。而钙钛矿ABX₃薄膜的制备方法对其结构、形貌、电荷迁移率、电子寿命及光电转换性能影响较大。目前的普遍观点是钙钛矿薄膜表面平整、致密是获得高质量钙钛矿薄膜的关键，钙钛矿薄膜的主要制备方法包括一步旋涂法、两布溶液法、气相沉积法和气相辅助溶液法等，这些方法都是以获得表面平整致密的钙钛矿薄膜为目标。

其中，“一步旋涂法”是在钙钛矿前驱液旋涂过程中滴加反溶剂，从而将原溶剂去除使钙钛矿快速结晶析出的方法，其在操作工艺和处理时间上占据优势。这种方法的过程较为简单，但是得到的薄膜表面较为粗糙，针孔状缺陷较多，易造成薄膜中电荷的复合，严重影响薄膜的性能。因此，以旋涂法为基础的工作多集中在如何选用适当的添加剂、反溶剂或者通过物理方法改变旋涂表面的蒸汽压等方法来提高薄膜的表面平整度，从而提高电池的性能。目前，人们已经提出了很多方法对钙钛矿前驱体溶液的组成、溶剂的选择、退火条件等方面进行优化。尽管取得一些成果，但在如何控制钙钛矿层晶粒尺寸和结晶性，从而获得高质量、均匀致密的钙钛矿薄膜方面的仍少见报道。

因此，如何改进“一步旋涂法”制备钙钛矿薄膜，提高钙钛矿的结晶性，以获得较大的晶粒尺寸和均匀的钙钛矿薄膜是亟待解决的问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种以铁酸铋作为反溶剂添加剂的钙钛矿薄膜的制备方法。采用本发明方法制备出的钙钛矿薄膜，具有优异的晶粒尺寸、均匀的薄膜和良好的表面粗糙度，有利于提高载流子迁移率和扩散长度，提高电荷传输效率，从而改善太阳能电池等发光器件的性能。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种钙钛矿薄膜的制备方法，具体操作步骤为：

1)将摩尔比为1:1:1的甲基碘化铵(MAI)粉末，碘化铅(PbI₂)和二甲基亚砜(DMSO)溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中作为钙钛矿前驱液，磁力搅拌过夜待用；

2)在甲苯中分散过量铁酸铋纳米颗粒，磁力搅拌过夜，并于实验前静置10min，作为甲苯反溶剂待用；

3)在透明衬底表面滴加所述钙钛矿前驱液后开始旋涂，所述透明衬底指玻璃或柔性塑料透明衬底，并在旋涂过程中的第7-10s垂直于所述透明衬底匀速滴加分散有铁酸铋纳米颗粒的所述甲苯反溶剂，对钙钛矿表面进行时长1s的冲洗，旋涂过程结束后置于100℃热台上退火10min，形成钙钛矿薄膜。