薄膜太陽能電池制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能器件的制備方法，具體是涉及一種CH3NH3PbI3材料的薄膜太陽能電池制備方法，屬于新型材料器件制造工藝領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今世界，隨著地球資源的日益減少和人類對能源需求的不斷增加，能源危機(jī)已經(jīng)迫在眉睫。為了生存和發(fā)展，人類必須尋求可以替代常規(guī)能源的可再生的潔凈新能源，其中的選擇之一是太陽能發(fā)電。太陽能具有儲存巨大，永不枯竭，清潔無污染、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)，是人類最重要的新能源。
[0003]目前太陽能電池主要包括晶體硅電池和薄膜太陽能電池，其中薄膜太陽能電池因生產(chǎn)用料少，價格便宜，可塑性好等優(yōu)點(diǎn)成為太陽能光伏電池的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)在，兩種主流產(chǎn)業(yè)化的薄膜電池材料為碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵砸(CIGS)，它們均含有地殼中稀缺的元素(Te和In)，因此不適合大規(guī)模生產(chǎn)。最近，一種以CH3NH3PbI3為代表的有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦材料薄膜太陽能電池獲得了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。這類有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦材料所含元素均為地殼中富有元素，可大規(guī)模生產(chǎn)，且價格低廉。自2012年開始，以CH3NH3PbI3S主體吸收層太陽能電池的研宄中，它的轉(zhuǎn)換效率在短短一年內(nèi)迅速飆升，突破了 15%。截至到2014年6月，經(jīng)驗(yàn)證的最高效率可達(dá)17.9%。這使得該材料極有可能成為下一代的主流薄膜太陽能電池材料，從而也吸引了國內(nèi)外的大批研宄人員的關(guān)注。該材料的制備方法主要為化學(xué)方法。如旋涂法和基于旋涂法的兩步法等。這兩種方法都可在基于多孔材料1102和ZnO中沉積出高質(zhì)量的薄膜，從而獲得高效率。但對于平面型器件卻不太適合，主要的原因在于該材料在后期烘烤退火時材料易于凝聚形成大晶粒，從而使大晶粒之間出現(xiàn)空洞。這將減少光子的吸收，并同時減小并聯(lián)電阻，使器件效率降低。與之相對的是，基于真空的方法可明顯改善薄膜覆蓋度。如Henry Snaith采用雙源法可制備獲得無空洞小晶粒的薄膜，但雙源法控制復(fù)雜，兩個獨(dú)立的蒸發(fā)源需要能穩(wěn)定的工作在確定比例的速率上。另外，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量薄膜，蒸發(fā)速率非常的慢，一般需要控制在0.5埃每秒以內(nèi)。這樣低的速率不適合大規(guī)模生產(chǎn)。而當(dāng)下生長速率較高的物理生長法又都是基于PbI2的，CH3NH3I與PblJ^化學(xué)反應(yīng)過程較慢，這會導(dǎo)致在高速蒸發(fā)的過程中CH3NH3I與PbId^反應(yīng)過程大大落后于加熱蒸發(fā)的過程，從而使得制備得到的CH3NH3PbI3薄膜因存在雜質(zhì)而導(dǎo)致電池的轉(zhuǎn)換效率與壽命都較低。
[0004]有基于此，提出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種CH3NH3PbI3材料的薄膜太陽能電池制備方法，采用基于(CH3COO)2Pb的CH3NH3PbI3溶液做蒸發(fā)源，用單源反應(yīng)閃蒸法以極快的蒸發(fā)速率直接制備出表面無空洞的CH3NH3PbI與鈦礦薄膜作為太陽能電池的吸收層，并制備出相應(yīng)的太陽能電池器件，為制備高轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜太陽能電池提供一種新的工藝。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種CH3NH3PbI3薄膜太陽能電池制備方法，包括以下步驟:
(I )、使用合適的材料作為襯底，預(yù)處理后，在所述的襯底上沉積η型材料，然后放入真空蒸發(fā)設(shè)備的樣品臺上；
(2)、把CH3NH3I和(CH3COO)2Pb粉末按照一定比例溶解于有機(jī)溶劑中，制備成基于(CH3COO)2Pb 的 CH3NH3Pb 13溶液；
(3)、將步驟(2)中基于(CH3COO)2Pb的CH3NH3PbI3溶液均勻的平鋪于經(jīng)過預(yù)處理后的金屬蒸發(fā)舟上；
(4)、在腔體氣壓低于5xl(T3Pa或惰性氣體的條件下，通過單源反應(yīng)閃蒸法蒸鍍CH3NH3Pb I3薄膜；
(5)、將蒸鍍完成的薄膜進(jìn)行后期退火處理；
(6)、在制備好的CH3NH3PbI3薄膜材料上旋涂空穴傳輸層；
(7 )、蒸鍍電極，獲得CH3NH3Pb13薄膜太陽能電池。
[0007]所述步驟(I)為將透明導(dǎo)電玻璃作為沉積襯底，采用曲拉通清洗表面，用清水將表面殘余的曲拉通沖洗掉后，采用丙酮超聲清洗15分鐘，然后用去離子水沖洗表面，再用乙醇超聲清洗15分鐘，再用去離子水沖洗表面，隨后將其烘干，然后采用紫外臭氧或微波等離子體處理表面，在預(yù)處理完成的透明導(dǎo)電玻璃上采用磁控濺射的方法沉積1102或ΖηΟ。
[0008]所述磁控濺射的方法沉積1102或ZnO為:采用高純T1 2或ZnO作為濺射靶材，先將濺射室抽至5xl(T3Pa，然后通入Ar氣，濺射氣壓保持在0.6Pa，濺射功率為150W，濺射時間36分鐘，即可在透明導(dǎo)電玻璃上沉積一層50-100納米厚的致密1102或ZnO薄膜。
[0009]所述的透明導(dǎo)電玻璃為摻F的SnO2、摻Al的ZnO或摻Sn的In2O3。
[0010]所述步驟(2)為將CH3NH3I與(CH3COO)2Pb的粉末按照一定的比例先后溶解在γ-丁內(nèi)酯中，在25-100° C的條件下加熱攪拌1-12個小時，使二者混合均勻，從而配制成基于(CH3COO)2Pb 的 CH3NH3Pb13溶液。
[0011]所述步驟(3)為將一定量的基于(CH3COO)2Pb的CH3NH3PbI3溶液滴在金屬蒸發(fā)舟上，然后涂抹均勻，使其完整并均勻地覆蓋在蒸發(fā)舟表面。
[0012]所述步驟(4)為將腔體氣壓抽真空至低于5xlO_3Pa，繼續(xù)保持抽速以保持此真空度，或可關(guān)閉真空泵或閥門，或通入惰性氣體至l-100Pa，然后加載80-250A或保持此條件或通入惰性氣體，然后將原材料在小于I秒的時間內(nèi)快速升溫至大于1000-1500° C，整個蒸發(fā)時間小于5秒。
[0013]所述步驟(5)為將蒸鍍完成的將蒸鍍完成的CH3NH3PbI3薄膜在N2氣氛和70-150° C的條件下烘烤5-60分鐘可形成致密、結(jié)晶良好的薄膜。
[0014]所述步驟(6)為將Spiro-OMeTAD作為空穴傳輸層旋涂在蒸鍍完成的CH3NH3PbI^膜材料上。
[0015]所述步驟(7)為在旋涂空穴傳輸層后的材料表面，用真空蒸發(fā)的方法蒸鍍一定形狀的金或銀電極，從而獲得CH3NH3PbI3太陽能電池。
[0016]通過此方法，最終可實(shí)現(xiàn)效率為8.13%的鈣鈦礦太陽能電池的制備。
[0017]本發(fā)明采用一種反應(yīng)迅速操作簡單生長速率極高的物理生長法，即基于(CH3COO) 2Pb的單源反應(yīng)閃蒸法制備CH3NH3PbI3薄膜材料，并獲得了高效率的太陽能電池器件。這種制備方法使用基于(CH3COO)2Pb的CH3NH3PbI3溶液做蒸發(fā)源，在抽真空時使其在金屬舟上形成平整的薄層。隨后在真空條件下或N2或惰性氣體的氣氛下以極短的時間進(jìn)行快速升溫，一般需要在小于I秒內(nèi)升至1000度，并保持小于10秒的時間，從而實(shí)現(xiàn)快速蒸發(fā)。由于CH3NH3I與(CH3COO)2Pb之間的化學(xué)反應(yīng)速度極快，二者之間的全部反應(yīng)過程能夠在10秒內(nèi)完成，從而使得快速反應(yīng)與快速蒸發(fā)的過程幾乎可以同時結(jié)束，這可以讓太陽能電池的效率與壽命得到進(jìn)一步的提高。該方法操作簡單，制備出的薄膜極純且均勻表面無空洞。采用該方法制備的材料作為吸收層，打02或ZnO為η型材料，Spiro-OMeTAD或P 3ΗΤ作為P型材料，從而構(gòu)成p-1-n結(jié)型器件，并實(shí)現(xiàn)了 8%以上的電池效率。
[0018]本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果:
1、本發(fā)明的蒸發(fā)源采用基于(CH3COO)2Pb的CH3NH3PbI3溶液，是一種全新的蒸發(fā)源，可以在一定程度上提高電池的效率與壽命。
[0019]2、本發(fā)明的方法屬于物理制備法，過程簡單，易于操作，可重復(fù)性好。
[0020]3、本發(fā)明的方法制備出的CH3NH3PbI3薄膜表面平整無空洞，均勻性良好。
[0021]4、本發(fā)明的單源反應(yīng)閃蒸法擁有高速蒸發(fā)的特點(diǎn)，易于大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0022]圖1為單源反應(yīng)閃蒸法制備的CH3NH3PbI3薄膜X射線衍射圖；
圖2為單源反應(yīng)閃蒸法制備的CH3NH3PbI3薄膜的掃描電子顯微鏡圖；
圖3為單源反應(yīng)閃蒸法制備的013冊13?1313薄膜太陽能電池的電流電壓圖，測試在1.5AM的光照條件下。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0024]本發(fā)明一種CH3NH3PbI3薄膜太陽能電池制