[发明专利]一种刮涂法制备大尺寸晶粒钙钛矿薄膜的方法

说明书

本发明涉及一种刮涂法制备大尺寸晶粒钙钛矿薄膜的方法，首先制备离子液体钙钛矿刮涂前驱体，拖动刮刀从基底的一端匀速运动至另一端后，在基底上留下一层湿润的钙钛矿薄膜；在刮涂涂布机上退火20±5秒，然后将已完全变相的钙钛矿薄膜转移至110±10℃的热台上再退火10分钟，得到充分沉积的大尺寸晶粒钙钛矿薄膜。有益效果：大尺寸晶粒的钙钛矿薄膜的制备在空气中进行，无特殊保护气氛要求；通过调整刮涂速率、缝隙间距等可按照实际需求调节钙钛矿薄膜参数；刮涂涂布机设备结构简单、易操作，仪器成本较低，适用于规模化生产；大尺寸晶粒的钙钛矿薄膜不仅可应用于太阳能电池，也可被用于发光二极管、光电探测器等其它领域。

技术领域

本发明属于制备钙钛矿薄膜的方法，涉及一种刮涂法制备大尺寸晶粒钙钛矿薄膜的方法。

背景技术

随着社会的急速发展和人口数量的激增，发展对环境无污染的绿色能源的需求日益突出，充分利用太阳能会使人类面临的能源危机以及环境污染等重大问题得到解决。钛矿太阳能电池作为新一代的太阳能电池，具有低成本、带隙宽度合适、载流子寿命长、扩散距离远等优点，是一种高效率的金属卤化物半导体材料，短短几年钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已经超过了25％，接近单晶硅电池的最高效率记录。目前高效率的钙钛矿吸光层的制备方法主要是旋涂法，然而由于旋涂法制备过程耗时长，难以大规模生产，限制了钙钛矿太阳能电池的进一步应用。根据以往的经验，由于电荷缺陷所导致的非辐射符合是影响钙钛矿光电转化效率较低的重要原因，这些缺陷与晶格空位、晶界陷阱等密切相关，而钙钛矿内部缺陷往往以浅态缺陷为主，对器件性能影响较小。制备大尺寸晶粒的钙钛矿薄膜关键在于控制钙钛矿的结晶成核过程，钙钛矿薄膜的结晶成核过程受到制备工艺、溶剂组成、溶液组分等众多因素的影响，并且钙钛矿薄膜的制备方法主要采用旋涂法，但是旋涂法制备的薄膜存在着晶粒尺寸小、晶界密集、缺陷多等问题，这将会严重降低钙钛矿薄膜载流子迁移率和寿命。因此，为了改善由于晶界缺陷过多导致的钙钛矿器件性能低下等问题，制备大尺寸晶粒的钙钛矿薄膜研究引起广泛关注。大尺寸晶粒的钙钛矿器件往往具有更好的湿热稳定性和更高器件效率，是钙钛矿太阳能器件产业化应用的重要研究方向。

目前为了减少晶界，改善晶体有序性，提高载流子的迁移率，制备大晶粒的钙钛矿薄膜的方法有以下几种：

弯月面辅助溶剂印刷生长大尺寸晶粒钙钛矿薄膜：钙钛矿前驱体溶液在刮板的边缘处的形成了带有一定弧度的弯月面，由于存在咖啡环效应，刮板边缘处的钙钛矿前驱体溶液中的溶剂快速挥发，钙钛矿溶液局部达到过饱和状态，有利于钙钛矿晶体的成核和生长。

高温气相辅助生长大尺寸晶粒钙钛矿薄膜：在均匀的无机铵盐薄膜上旋涂一层溶解有机铵盐的异丙醇(IPA)溶液，将旋涂完成的薄膜转移至饱和的有机铵盐蒸汽的氛围中，抑制有机铵盐从钙钛矿过渡态升华，形成大尺寸晶粒钙钛矿薄膜的一种方法。

溶剂工程调控制备大尺寸晶粒钙钛矿薄膜：介电常数高的溶剂有助于制备晶粒粗大、晶界较少的吸收层，同时可以抑制钙钛矿的载流子复合，是一种更适合制备高效率平面钙钛矿太阳能电池的方法。

现有的大尺寸晶粒钙钛矿薄膜的制备方法主要有以下缺点：

1)为了在低温下生长出具有择优趋向的钙钛矿晶粒，弯月面辅助溶剂印刷制备钙钛矿薄膜的过程需要基板极为缓慢的移动，速率通常在10-20μm/s，这将降低钙钛矿器件的制备速度。

2)气相辅助沉积方法的气固界面反应十分有限，通常需要较高的温度(≥200℃)或延长反应时间(数个小时)才能得到致密的钙钛矿薄膜，且该方法制备的钙钛矿晶粒尺寸还有待提升。

3)传统的用于制备钙钛矿前驱体的有机溶剂毒性较大，不能达到环境友好制备，且耗量巨大，易对空气环境和人体健康造成损害。

参考文献：