[发明专利]钙钛矿太阳能电池的制备方法

说明书

本公开涉及钙钛矿太阳能电池的制备方法。该方法包括：S1、制备电子传输半电池和空穴传输半电池；电子传输半电池的制备方法包括：在第一导电衬底上依次制备电子传输层和第一钙钛矿层，并在第一钙钛矿层上涂覆第一钙钛矿前驱体溶液作为第一辅助层；空穴传输半电池的制备方法包括：在第二导电衬底上依次制备空穴传输层和第二钙钛矿层，并在第二钙钛矿层上涂覆第二钙钛矿前驱体溶液作为第二辅助层；S2、在第一辅助层和第二辅助层的溶剂非完全挥发的状态下将电子传输半电池与空穴传输半电池沿远离衬底的一面贴合，并加热至预设温度，保温预设时间，将电子传输半电池和空穴传输半电池中的钙钛矿层连成一体，完成钙钛矿电池的制备。

技术领域

本公开涉及太阳能电池领域，具体涉及钙钛矿太阳能电池的制备方法。

背景技术

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池是近年来新型太阳能电池领域最引人瞩目的研究课题。从2009年首次报道3.8％(Kojima,A.,et al.,Journal of the AmericanChemical Society 131(17):6050-6051)的效率至今，在十余年间效率已经达到25.2％(National Renewable Energy Laboratory,Best Research-Cell Efficiency Chart,https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html)，接近晶硅电池的最高效率。而且钙钛矿电池具有结构简单、成本低廉、对生产设备要求不高等诸多有点，成为最有可能付诸市场化应用的新型太阳能电池。

目前，钙钛矿电池一般采取由下到上、层层叠加的湿化学方法制备。其包括在清洗好的FTO衬底上通过旋涂的方法，逐层沉积TiO₂电子传输层、钙钛矿层、Spiro空穴传输层，最后再沉积Au电极。在逐层旋涂的过程中，后一层薄膜的制备要受到前一层的限制：1、后一层的溶剂不能腐蚀前一层已经做好的薄膜；2、后一层的退火过程不能破坏前一层薄膜。越到后面受限越多，尤其是在完成钙钛矿层的制备后，空穴传输层的溶剂不可以破坏钙钛矿，溶剂选择范围很小，纯度要求极高。

例如，通常在两步法制作n-i-p结构钙钛矿电池中(Nature Photonics,13(2019)460–466)，在FTO上旋涂TiO₂层，TiO₂溶液常用的既有水溶剂体系的，也有醇溶剂体系的，并无太多限制。第一步旋涂PbI₂的溶剂为DMF，DMF不会对TiO₂产生影响；第二步旋涂FAI:MAI:MACl混合溶液时，由于不能破坏PbI₂的薄膜，只能选择极性较小的异丙醇作溶剂。但是由于异丙醇极性较小的原因，MACl在异丙醇中的溶解度比较小，实际操作中比较难溶解，MACl作为钝化剂，其浓度的可调范围也比较小，影响了电池效率的进一步优化。钙钛矿制备完成后，旋涂Sprio-OMeTAD时，只能选择不溶钙钛矿的氯苯作溶剂，但氯苯的毒性很大。最后再通过蒸镀的方式镀Au电极，也是由于蒸镀能量相对比较低，对Sprio-OMeTAD和钙钛矿的损伤比较小。但是蒸镀需要以很慢的速度进行，而且得到的金属薄膜与溅射相比，与衬底的接合是很不牢固的。此外，如上述文献中的两步制备钙钛矿薄膜的方法，可以得到更厚的钙钛矿薄膜，可以吸收更多的光，得到较高的电流。但是两步法制备含有Cs离子体系钙钛矿电池的研究却很少看到，主要原因也是受溶剂的限制：第二步需要溶解CsI，但CsI在异丙醇的溶解度很低，达不到需要的浓度。

虽然通过气相沉积的方法制备钙钛矿层，可一定程度上避免上述问题，但后续的电子传输层或者空穴传输层的制备过程，目前还是普遍使用湿化学法制备为主。而且，即使钙钛矿层后面的薄膜也采取气相沉积的方法制备，沉积工艺的要求也极为严苛，要尽量避免对已经制备好的钙钛矿薄膜的损伤。此外，无论是化学气相沉积还是物理气相沉积，均需要复杂的设备，气相沉积过程中原料的气体填充在整个沉积腔体内，造成很大程度的浪费。高效率钙钛矿电池通常是含铅体系的，气相沉积过程中产生大量的含铅气体也会造成极大的污染问题，不适宜大规模生产应用。