[发明专利]大面积三维-二维钙钛矿异质结原位制备方法

说明书

一种大面积三维‑二维钙钛矿异质结原位制备系统，包括反应腔，其特征在于，所述反应腔内设置有支架组件，所述反应腔外部设置有溶剂循环组件，所述反应腔顶部设置有气体循环管路。本发明通过在3D准单晶钙钛矿层上原位生长大面积高质量的2D钙钛矿薄膜，形成3D‑2D钙钛矿异质结，有利于提高钙钛矿太阳能电池的光伏性能和长期稳定性；密闭循环利用钙钛矿前驱液和反溶剂溶液，有利于减少环境污染，同时提高资源利用率。

技术领域

本发明属于钙钛矿材料技术领域，具体涉及一种大面积三维-二维钙钛矿异质结原位制备方法。

背景技术

近年来，钙钛矿太阳能电池（PSC）实验室光电转换效率已由2009年的3.8%刷新到2019年的认证效率25.2%，具备产业化价值。但是，这些认证或报道的高效PSC大多数是基于相对较小面积（一般是0.1cm²，有些更小至0.03cm²）的三维（3D）多晶钙钛矿材料。3D多晶钙钛矿材料对湿度和温度敏感，其长期稳定性的不足严重制约着PSC的产业化应用。为了提高3D钙钛矿材料的长期稳定性，其中一种有效的解决方法是在3D钙钛矿材料表面制备一层具有较强热稳定性和湿度稳定性的二维（2D）钙钛矿薄膜，形成3D-2D异质结。

目前，实现上述3D-2D钙钛矿异质结可以采用旋涂法、涂布法和气相法。经检索发现专利CN 110061136 A公开了一种背接触式钙钛矿太阳电池及其制备方法，其中3D钙钛矿层是通过热蒸发法、旋涂法、刮涂法、喷涂法等方法制备的，2D钙钛矿层是通过旋涂法制备的。3D钙钛矿是多晶结构，存在大量的晶界和缺陷，不利于获得高效稳定的PSC器件，而且面积小；2D钙钛矿层面积小，而且旋涂液中所含有的有机极性溶剂会对3D钙钛矿层的成膜质量产生诸多不确定性影响，而更为不利的是，这些溶剂均存在一定程度的毒性，如果后续处理不当，大规模应用必将导致严重的环境问题。

专利CN 110061136 A公开了一种背接触式钙钛矿太阳电池及其制备方法，其中3D钙钛矿层是通过热蒸发法、旋涂法、刮涂法、喷涂法等方法制备的，2D钙钛矿层是通过旋涂法制备的。3D钙钛矿是多晶结构，存在大量的晶界和缺陷，不利于获得高效稳定的PSC器件，而且面积小；2D钙钛矿层面积小，而且旋涂液中所含有的有机极性溶剂会对3D钙钛矿层的成膜质量产生诸多不确定性影响，而更为不利的是，这些溶剂均存在一定程度的毒性，如果后续处理不当，大规模应用必将导致严重的环境问题。

专利CN 106410047 A公开了一种大面积钙钛矿太阳电池复合光吸收层及其制备方法，专利CN 106449994 B公开了一种大面积钙钛矿太阳电池光吸收多层膜及其制备方法，其中3D钙钛矿层和2D钙钛矿层都是通过线棒涂布器先后涂布形成的。3D钙钛矿材料和2D钙钛矿材料都是溶解在极性有机溶剂中，在2D钙钛矿材料涂布在3D钙钛矿层表面时，涂布液中所含有的有机极性溶剂会对3D钙钛矿层的薄膜质量产生诸多不利影响，而且这些溶剂的毒性也会导致严重的环境问题。

专利CN 108269921 A公开了一种钙钛矿平面异质结太阳能电池及其制备方法，该3D-2D钙钛矿层均通过气相法制备而成。真空气相法耗能并且设备复杂，同时2D钙钛矿层的蒸发形成温度与3D钙钛矿的分解温度接近，在提高器件稳定性的同时容易牺牲器件整体效率。

专利CN 109962164 A公开了一种恒温气体处理装置、包含有三维-二维钙钛矿薄膜的太阳能电池及其制备方法，该制备方法通过丁基胺饱和蒸气对三维钙钛矿薄膜表面进行处理，快速形成表面二维钙钛矿薄层。丁基胺的饱和蒸气容易发生泄漏，造成严重的环境污染；而且有机胺的用量大，资源利用率不高。

需要解决的技术问题：如何在不损害3D准单晶钙钛矿薄膜的前提下，在3D准单晶钙钛矿层上原位制备大面积高质量的2D钙钛矿薄膜，对于制备高性能稳定的大面积光伏器件至关重要；如何循环利用钙钛矿前驱液和反溶剂溶液，对降低生产成本至关重要；如何减少钙钛矿前驱液中重金属铅以及有机溶剂挥发至环境中，对降低环境污染至关重要。

发明内容