[發明專利]一種錫基鈣鈦礦薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201710293517.8
• 申請日: 2017-04-27
• 公開（公告）號: CN107119256B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 朱嘉;顧帥;朱鵬臣
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/24;C23C14/58
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 萬婧

本發明提供的是一種錫基鈣鈦礦薄膜的制備方法，具體涉及的是復合材料領域，本發明通過熱蒸發提供兩層獨立的膜層，通過微量的溶劑氣氛來促使固態薄膜的互相滲透的構想，成功運用溶劑退火的方法，制備錫基鈣鈦礦薄膜。所述方法能夠避免溶液法所帶來的局限性，能夠將局限于液相的反應拓展到氣相領域，能夠在平面結構的電池上運用，所述方法制備的鈣鈦礦薄膜晶粒大小在500nm?1μm，所述方法制備的鈣鈦礦電池能夠達到4％以上的效率。

技術領域

本發明涉及的是復合材料領域，具體是一種無機材料和有機材料相結合生成無鉛鈣鈦礦材料的方法。

背景技術

太陽能電池是一種利用光伏效應將光能轉化為電能的器件。自從1839年有Becquerel首先發現光伏效應以來，太陽能電池在之后的一百多年的時間內，發展非常迅速。大致可以分為第一代硅基太陽能電池，第二代多元化合物薄膜太陽能電池以及第三代新型太陽能電池。目前世界各國在新能源領域，尤其是太陽能領域投入了巨大的人力物力，可以認為太陽能電池迎來了它的黃金期，因此如何研發出更低成本，效率更高，壽命更長的太陽能電池也是接下來的挑戰。

而在近年來，雜化鈣鈦礦電池在太陽能電池領域異軍突起，成為了最炙手可熱的研究對象。在短短兩年時間內，它的最高效率達到了22％以上，這是其他電池所不曾出現過的增持速度，并且原料還十分廉價，工藝也相對簡單，因此鈣鈦礦太陽能電池被寄予了厚望。

然而傳統的鈣鈦礦電池也有本身材料所造成的的局限性，CH₃NH₃PbI₃的結構使得重金屬鉛元素無論是在制備過程，還在使用過程中，都會對環境造成污染，因此，如何減少重金屬元素的使用，也是后來很多研究者摸索的一個方向。與鉛同族的錫是個不錯的替換對象。然而在一段時間摸索中發現，錫基的鈣鈦礦材料必須先在溶劑中提前反應生成鈣鈦礦材料才可以進行旋涂，不能像傳統的鉛材料一樣，可以將PbI₂等在浸泡或者滴加溶液的過程中與另外一種前驅物CH₃NH₃I(CsI和NH₂CHNH₂I)反應來生成鈣鈦礦，這是因為CH₃NH₃PbI₃在異丙醇(CH₃NH₃I的溶劑)溶解度較低，而錫基鈣鈦礦在異丙醇中溶解度較高，很容易發生溶解，使得研究者得不到需要的材料。而一步旋涂錫基鈣鈦礦的方法，又因為錫基鈣鈦礦結晶速度難以控制以及與襯底接觸不好等原因，往往得不到致密平整的薄膜，因此，尋求一種能夠在平面結構上制備平整而且擁有高質量的錫基鈣鈦礦的制備方法，是當下非常重要的研究方向。

在常規的鈣鈦礦材料(CH₃NH₃PbI₃)的制備過程中，氣相蒸鍍以及溶劑退火都分別可以生成高質量的薄膜。以下先介紹現有技術在鈣鈦礦領域通過這兩種方法制備高質量薄膜的成功案例。

熱蒸發是指把待鍍膜的襯底等置于真空室內的樣品臺上，通過對熱蒸發容器內的鍍膜材料加熱，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸汽流，達到較冷的襯底表面，從而達到沉積在襯底上的目的。因為涉及到鍍膜材料的分子和原子，所以形成的薄膜較為均勻致密，覆蓋率很高。早在2013年牛津大學的Snaith教授團隊就已經在《Nature》雜志上刊登了運用熱蒸發鍍膜的方法制備了高質量的含鉛的CH₃NH₃PbI₃的工作。(Liu M，Johnston MB，Snaith HJ.Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapourdeposition[J].Nature，2013，501(7467)：395-398.)