[发明专利]一种微纳米岛状碳酸盐薄膜、制备方法及钙钛矿太阳能电池

说明书

本发明涉及一种微纳米岛状碳酸盐薄膜、制备方法及钙钛矿太阳能电池，属于钙钛矿太阳能电池技术领域。所述碳酸盐为热膨胀系数为10×10^‑5K^‑1～40×10^‑5K^‑1的碱金属碳酸盐，纳米岛状结构的直径为100nm～3000nm，所述薄膜的厚度为0.5nm～10nm。采用溶液法或热物理蒸发法，通过控制条件使碱金属碳酸盐不连续生长、并在退火阶段形成岛状结构制备得到。利用碱金属碳酸盐层高于钙钛矿活性层的热膨胀系数的优势，通过退火冷却过程的不均匀变形调节钙钛矿活性层体相的应力应变行为，能够将其从原有的拉伸状态调节至压缩状态。进一步，在界面处形成的不连续岛状纳米结构提供变形空间，可释放界面处集中的残余应力应变。

技术领域

本发明涉及一种微纳米岛状碳酸盐薄膜、制备方法及钙钛矿太阳能电池，属于钙钛矿太阳能电池技术领域。

背景技术

钙钛矿太阳能电池在短短十多年内光电转换效率从3.8％大幅增加到25.7％，而与硅的叠层电池已经超过Shockley-Queisser极限，实现了超过29％的最大转换效率。尽管钙钛矿太阳能电池在光电转换效率上具有显著优势，但其稳定性依然存在严峻挑战。

钙钛矿太阳能电池的应力应变工程已被证明对钙钛矿太阳能电池的光热稳定性有重大影响，因为它涉及成分异质性、微观结构变形、缺陷形成、电子结构优化和离子迁移势垒相关的综合调控机制。钙钛矿材料的应力应变诱发的晶格畸变会影响原子间键合、缺陷的形成能和离子迁移的活化能，导致薄膜加速降解行为。在多层堆叠器件结构的界面处，极易出现应力-应变集中现象，由于电荷传输层和钙钛矿之间的热膨胀系数不匹配和以及较弱的范德华力，过载的应力应变会导致薄膜破裂和器件界面过早脱离和分层。在这些力学分层处，产生更多暴露的表面和点缺陷，为水和氧气侵入提供通道，为离子迁移提供场所，从而加速结构分解和器件退化。因此，界面处可控的应力-应变调节对于提高钙钛矿电池的稳定性至关重要。

到目前为止，已有研究表明，钙钛矿多晶中晶格应变的调节可以通过小原子/分子掺杂、化学交联添加剂、退火工艺优化等来实现。这些方法主要集中在体中的应力-应变效应。此外，具有特定官能团的有机盐或聚合物被广泛应用于界面工程以钝化缺陷并优化光电性能。但是，有机物具有外部环境的不稳定性(水、氧、光的不稳定性)和较弱的化学相互作用。有机材料选择不当甚至会加速界面处的离子迁移和卤素聚集行为。有研究报道，Cs₂CO₃可作为作为电池的缺陷钝化层或者传输层被应用去减少器件中的非辐射符合损失，提高器件转换效率。然而，目前尚未报道过无机材料在界面处实现可控的应力-应变调节的相关技术方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微纳米岛状碳酸盐薄膜、制备方法及钙钛矿太阳能电池。利用碱金属碳酸盐层高于钙钛矿活性层的热膨胀系数的优势，通过退火冷却过程的不均匀变形调节钙钛矿活性层体相的应力应变行为，能够将其从原有的拉伸状态调节至压缩状态。进一步，在界面处形成的不连续岛状纳米结构提供变形空间，可释放界面处集中的残余应力应变。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种微纳米岛状碳酸盐薄膜，所述碳酸盐为热膨胀系数为10×10^-5K^-1～40×10^-5K^-1的碱金属碳酸盐，微纳米岛状结构的直径为100nm～3000nm，所述薄膜的厚度为0.5nm～10nm。

优选的，所述碳酸盐纳米岛状结构的直径为500nm～1000nm。

优选的，所述碳酸盐的热膨胀系数为20×10^-5K^-1～30×10^-5K^-1。