[發明專利]一種甲脒銫鉛碘鈣鈦礦薄膜的化學氣相沉積制備方法及基于其的光伏器件

有效

• 申請號: 201710853055.0
• 申請日: 2017-09-20
• 公開（公告）號: CN107620052B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 羅派峰;周圣穩;周宇罡;夏偉
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C23C16/30
• 分類號: C23C16/30;H01L51/48;H01L51/42
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發明公開了一種甲脒銫鉛碘鈣鈦礦薄膜的化學氣相沉積制備方法及基于其的光伏器件，是分兩步制備混合陽離子鈣鈦礦薄膜，首選將無機陽離子Cs⁺和碘化鉛形成Cs_xPbI_2+x前驅體溶液并旋涂到基底上得到Cs_xPbI_2+x前驅體薄膜，然后將有機陽離子FA通過化學氣相沉積方法引入到鈣鈦礦ABX₃體系，即獲得FA_1?xCs_xPbI₃鈣鈦礦薄膜。本發明可精確控制A位置陽離子比例、成本低、簡單易操作、重復性好；同時，本發明還將所制FA_1?xCs_xPbI₃薄膜作為光吸收層，制備出FTO/c?TiO₂/FA_1?xCs_xPbI₃/Sprio?OMeTAD/Ag結構的鈣鈦礦太陽電池，首批電池光電效率達到12.67％，并表現出良好的穩定性。

技術領域

本發明涉及一種FA_1-xCs_xPbI₃鈣鈦礦薄膜的化學氣相沉積制備方法及其光伏器件的應用，屬于薄膜太陽能電池光伏器件的制備工藝領域。

背景技術

隨著人類社會的不斷發展，人類對于能源的需求不斷增加，然而傳統的化石能源燃燒所帶來的環境問題和能源危機也隨之產生，因此拓展可再生、環境友好的新能源勢在必行。在地球上取之不盡、用之不竭的太陽能作為重要的新能源被寄予很大的希望。自2009年，Miyasaka等人首次將鈣鈦礦材料(ABX₃結構)CH₃NH₃PbI₃用在染料敏化太陽能電池中并達到了約4％的光伏效率，此后的幾年，CH₃NH₃PbI₃在太陽能電池領域大放異彩，目前其得到認證的最高效率已突破20％。這類電池同時具有制備工藝簡單、成本低廉等優點，但是有機-無機雜化鈣鈦礦結構在溫度或濕度較高的環境下，晶格易被破壞而導致材料分解。雖然以CH₃NH₃PbI₃作為光吸收層的鈣鈦礦太陽能電池的效率很高，但其也存在許多缺點，比如，CH3NH3⁺基團(MA)的熱穩定性較差，CH₃NH₃PbI₃在85℃以上就會發生分解；并且，CH₃NH₃PbI₃對H₂O也非常敏感。因此，鈣鈦礦電池要真正實現產業化應用，亟待解決材料及器件的穩定性問題。

有研究表明，將MA替換成HN＝CH(NH₃)⁺(FA)或Cs⁺會提高器件的熱穩定性，全無機鈣鈦礦CsPbI₃和有機-無機雜化鈣鈦礦FAPbI₃的熱穩定性都遠高于傳統的CH₃NH₃PbI₃。但是上述兩種材料由于Cs⁺的離子半徑過小，FA的半徑過大都導致了兩種鈣鈦礦晶體結構不穩定，所以在大氣環境下兩種材料都不能穩定存在。若將FA和Cs⁺同時摻入鈣鈦礦ABX₃結構中的A位置，形成FA_1-xCs_xPbI₃結構，則有望解決A位陽離子半徑過大或過小的問題，在穩定鈣鈦礦結構的同時也可以提高材料熱穩定性的。

目前報導的鈣鈦礦制備方法主要包含了真空熱蒸發法和溶液法(如CN104900810A)。真空熱蒸發工藝可以得到高質量薄膜，但昂貴的真空設備、復雜的工藝、難以控制元素的比例及薄膜面積過小等局限性使得難以實現工業生產；溶液法工藝操作簡單，但由于材料超快的反應速率而導致薄膜粗糙、多孔及未完全覆蓋等問題，因而限制了鈣鈦礦太陽電池的工業化大面積應用。

發明內容