[發明專利]鈣鈦礦薄膜的制備方法、鈣鈦礦薄膜以及太陽能電池器件

有效

• 申請號: 202010536303.0
• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111816770B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 鄒德春;高博;胡靜;湯勝;簡蓉
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/46;H01L51/48;C23C14/08;C23C14/35;C23C14/58
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;李茂家

本發明提供一種鈣鈦礦薄膜的制備方法、鈣鈦礦薄膜以及使用該鈣鈦礦薄膜的太陽能電池器件、磁控濺射儀。所述制備方法包括如下步驟：a)將鈣鈦礦制成靶材；b)使用步驟a)中獲得的所述靶材，利用磁控濺射儀進行濺射，得到未處理薄膜；c)任選地，對步驟b)得到的薄膜進行后處理，所述后處理包括真空狀態下進行碘甲胺氣相處理和惰性氣體氛圍下進行甲胺氣體處理，隨后進行退火、冷卻，得到鈣鈦礦薄膜。通過本發明的鈣鈦礦薄膜的制備方法可獲得高質量的磁控濺射薄膜，并通過使用通過該方法制備的鈣鈦礦薄膜，結合后續的處理工藝及其它功能層，可以獲得高質量的鈣鈦礦太陽能電池器件。

技術領域

本發明屬于光伏器件制造領域，具體涉及一種鈣鈦礦薄膜的制備方法以及使用該鈣鈦礦薄膜的太陽能電池器件，可用于制備該鈣鈦礦薄膜的磁控濺射儀。

背景技術

可持續能源供應和環境保護是世界發展中最重要的問題之一。目前可供選擇幾種新能源形式如太陽能、水力發電、風力和核電都具有較為廣闊的前景。其中，太陽能因其取之不盡、用之不竭以及綠色無污染而越來越得到研究人員的青睞。一年的太陽能可以提供全球已知化石燃料燃燒產生的100倍以上的能量。光催化和光伏是太陽能利用的兩個最重要的途徑。光伏是一種利用具有光伏效應的半導體將太陽輻射轉化為電能的方法。第一個光伏太陽能電池于1883年建成，1954年生產的硅太陽電池的效率為4.5-6％。

太陽能電池領域可分為三代。第一代太陽能電池是基于在實驗室中具有單個p-n結晶體Si的太陽能電池，最大轉換效率25％。雖然電池效率相對較高，但其制造和安裝成本較高。第二代太陽能電池包括使用非晶硅、多晶硅或微晶硅、碲化鎘或銅(鎵)銦硒化物/硫化物等制備的太陽能電池。由于材料和加工成本的降低以及制造生產能力的提高，這些太陽能電池比單晶太陽能電池成本更低。但是這些電池的效率一般低于第一代太陽能電池。在過去十年中開發的第三代太陽能電池被廣泛定義為半導體器件，可以配置為在支撐襯底上沉積的薄膜或納米晶量子點。主要的研究方向主要是使轉化效率超過S-Q效率極限31％。目前，第三代太陽能電池的主要目標是以更低的成本保持高的太陽能轉換效率，例如使用成本低廉的制造技術，如旋涂、噴霧沉積和印刷。

近年來，鈣鈦礦太陽能電池因其獨特的優異性能成為全世界研究的一大熱點。鈣鈦礦材料由于具有較寬范圍的強光吸收、長激子擴散長度、長載流子壽命和高載流子遷移率等而受到越來越多的關注。雜化鈣鈦礦材料在之前主要用作場效應晶體管、發光二極管和光電探測器。直到2009年，鈣鈦礦才被嘗試作為敏化太陽能電池中的敏化劑。鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的功率轉換效率(PCE)從3.8％迅速增加到25％。目前，新型有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池具有效率高、成本低、制備工藝簡單等優點，被認為是光伏研究中最重要的突破之一。

由于雜化鈣鈦礦以前的主要應用是以光電器件應用為中心的，所以在太陽能電池或發光器件中需要更高質量的鈣鈦礦薄膜。近年來，鈣鈦礦薄膜的制備得到了廣泛的研究，并取得了巨大的進展。主要包括溶液化學法、無溶劑氣相沉積法。

溶液化學法制備鈣鈦礦薄膜具有相對成本低、工藝簡單的優勢，成為主流的制備高質量的鈣鈦礦薄膜的方法。用于沉積鈣鈦礦薄膜的溶液化學法可分為一步法和兩步法。在典型的一步法中，鈣鈦礦薄膜直接從前體溶液或前體源沉積，其與大多數膜沉積技術相似。在典型的二步法中，由于CH₃NH₃I可以通過插層與PbI₂合成CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦，所以首先包括第一步PbI₂沉積，然后在第二步中轉換為CH₃NH₃PbI₃。

在一步法中，由于鈣鈦礦薄膜收縮，很難獲得高質量且均勻的平面鈣鈦礦薄膜。一步法鈣鈦礦薄膜收縮問題與溶劑的同步蒸發和鈣鈦礦的結晶有關。據報道，有多種一步沉積高覆蓋率高質量鈣鈦礦薄膜的方法，它們通常遵循兩種策略：(1)延遲結晶形成平滑的前驅體膜，隨后緩慢結晶以形成鈣鈦礦；(2)快速結晶，在溶劑蒸發完成之前，通過加速鈣鈦礦的成核/結晶過程，直接獲得高質量的鈣鈦礦薄膜。