[发明专利]半导体金属氧化物薄膜及其后处理方法和应用

说明书

本发明公开了半导体金属氧化物薄膜及其后处理方法和应用，所述方法包括：(1)制备离子水溶液；(2)将半导体金属氧化物薄膜浸入50‑90℃的所述离子水溶液中，清洗，干燥。该方法处理得到的半导体金属氧化物薄膜的亚结构更加一致均匀，膜层均一性、平整度显著提高，有利于后续膜层的沉积，同时有利于提高界面上氧化物与钙钛矿的结合，抑制电子空穴复合，从而提高钙钛矿太阳能电池转化效率。

技术领域

本发明钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种半导体金属氧化物薄膜及其后处理方法和应用。

背景技术

近年来迅速发展的钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率已经突破25％，被《Science》认为是近十年来最具科学价值的发现，是有望取代晶硅电池的新一代经济环保型太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池最典型的吸收层是有机金属三卤化物ABX₃，对应着正式结构和反式结构，正式结构的制备顺序为基底/阴极/电子传输层/钙钛矿吸收层/空穴传输层/阳极，反之为反式结构。其中电子传输层和空穴传输层可采用半导体金属氧化物薄膜，如TiO₂、SnO₂、ZnO、NiO_x、CoO_x、MoO_x、Nb₂O₅等，起到分离电子和空穴的作用。除太阳能电池领域外，半导体金属氧化物薄膜还广泛用于发光器件、平面液晶显示器件等诸多领域。

半导体金属氧化物薄膜的制备方法分为溶液法和真空法。在钙钛矿太阳能电池中，这类金属氧化物薄膜厚度在数十纳米左右，溶液法制备的薄膜容易产生膜层表面包覆性不完全的问题，引起漏电；真空法制备的薄膜表面包覆性好，但是由于真空工艺过程中缺氧，所制得的薄膜缺陷较多，影响膜层载流子传输性能。因此，急需开发一种普适性的后处理工艺，改善膜层形貌的同时提高膜层载流子传输性能。

现有技术中没有直接对已经制备好的金属氧化物薄膜再进行水溶液后处理的工艺，而是在制备金属氧化物薄膜的过程中通过添加剂，或真空法中靶材掺杂来实现对膜层的缺陷钝化，降低载流子复合；而掺杂或添加剂的存在会引起膜层形貌的改变，使得工艺调整变得复杂，同时掺杂或添加剂或引入新的缺陷态。

这类应用于太阳能电池的金属氧化物薄膜要求成膜颗粒尺寸均匀、致密无孔洞，同时对电导率和光透过率有特殊的要求。真空方式掺杂多通过对靶材原料进行掺杂，再制备掺杂薄膜；或者，增加掺杂材料的蒸发源、气态源。不同工艺制备的金属氧化物薄膜差异非常大，原子力沉积工艺虽然能够精确制备高质量致密的薄膜，但造价昂贵不适合大面积生产。液相法掺杂通过在前驱体中增加掺杂材料，再通过各种涂覆方式或化学沉积制备薄膜。液相化学浴法虽然成本低，但通常制备的膜会有颗粒大小不均一、局部团簇的现象，导致膜的平整度下降。而溶胶-凝胶法制备的金属氧化物溶液室温下非常稳定，同时颗粒大小均一，同时可以采用低成本的旋涂工艺制备高度平整薄膜，且不需要再进行高温退火，但旋涂工艺本身限制了其大面积生产应用的可能性。无论是真空法还是液相溶液法都难以获得大面积完全均一致密无孔洞的薄膜，而且要满足对电导率的要求还需要增加掺杂处理的步骤，该步骤会改变薄膜形貌，同时引入缺陷。因此需要开发一种普适性的工艺，对所制备的薄膜进行后处理，即改善膜层形貌，又能掺杂、进行表面修饰或者对缺陷钝化，提升电荷传输性能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种半导体金属氧化物薄膜及其后处理方法和应用，该方法解决了以下问题：1.解决了薄膜制备过程中大颗粒团簇的问题，可以去除半导体金属氧化物薄膜表面团聚的大颗粒，使得膜层更为均一、致密、平整；2.在50-90℃的条件下，促使膜层中未转化为金属氧化物的组分进一步充分反应，降低膜层缺陷；3.通过水溶液中一定浓度的离子和有机物官能团对薄膜表面进行修饰和缺陷的钝化，可以提高该薄膜的性能，进而提高钙钛矿太阳能电池的转换效率，且该修饰组分存在于界面，避免了对膜层形貌的影响和引入缺陷。