一種無鉛鈣鈦礦薄膜、其制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種無鉛鈣鈦礦薄膜、其制備方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能電池能夠?qū)⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)換成電能，由于太陽能是取之不盡用之不竭的清潔能源，因此太陽能電池是人類應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，尋求可持續(xù)發(fā)展的重要對(duì)策。目前，晶體硅太陽能電池占有89%的光伏市場(chǎng)份額。然而，昂貴的原材料及其繁瑣的電池工藝限制了晶體娃太陽能電池的長遠(yuǎn)發(fā)展。在過去的十年里，薄膜太陽能電池包括娃基薄膜、Cu (In，Ga)Se2-xSx以及CdTe電池等也開始實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。作為第三代太陽能電池的杰出代表，鈣鈦礦太陽能電池是一種以有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦材料產(chǎn)生光生電子和空穴對(duì)的一類新型全固態(tài)有機(jī)金屬鹵化物薄膜太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高，載流子擴(kuò)散長度長、迀移率高，核心光電轉(zhuǎn)換材料廉價(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過短短五年的發(fā)展，其實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率從3.8%提升至20.1%左右。
[0003]目前，鈣鈦礦太陽能電池中所用到的鈣鈦礦材料主要是碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3),它的帶隙約為1.5 eV，消光系數(shù)高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太陽光。CH3NH3PbI3在制備時(shí)通常采用液相一步法來完成，S卩:將PbI2與CH3NH3I以一定的摩爾比例混合，然后溶解于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，待完全溶解后旋涂于相應(yīng)的基底上，之后對(duì)薄膜進(jìn)行熱處理即形成CH3NH3PbI3鈣鈦礦薄膜。但是，通過SEM觀察，采用液相一步法制備的鈣鈦礦薄膜很不連續(xù)，覆蓋度較低，影響電池的開路電壓。而且，采用液相一步法制備鈣鈦礦薄膜，不利于產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。再有，碘化鉛甲胺中含有鉛元素，由于鉛會(huì)對(duì)人類身體健康以及環(huán)境產(chǎn)生危害，因此在許多地方被列為禁止使用材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的之一就是提供一種無鉛鈣鈦礦薄膜，該無鉛鈣鈦礦薄膜用Sn取代了Pb，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好型新型能源的開發(fā)和利用。
[0005]本發(fā)明的目的之二就是提供一種無鉛鈣鈦礦薄膜的制備方法，該方法采用有機(jī)無機(jī)交替共蒸發(fā)的方法來制備無鉛鈣鈦礦薄膜，可解決現(xiàn)有的液相一步法所制備的鈣鈦礦薄膜覆蓋度低及不利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的問題。
[0006]本發(fā)明的目的之三就是提供一種上述無鉛鈣鈦礦薄膜的應(yīng)用，S卩:提供一種鈣鈦礦太陽能電池，該鈣鈦礦太陽能電池中應(yīng)用了上述無鉛鈣鈦礦薄膜，從而使得該鈣鈦礦太陽能電池具有光伏性能好、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明的目的之一是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種無鉛鈣鈦礦薄膜，所述無鉛鈣鈦礦薄膜的化學(xué)通式為CH3NH3SnX3;其中，X為Cl、Br或I。
[0008]本發(fā)明所提供的無鉛鈣鈦礦薄膜，由Sn來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鈣鈦礦薄膜中的Pb，可解決現(xiàn)有的鈣鈦礦薄膜中因含有Pb而對(duì)環(huán)境造成的污染問題;且該無鉛鈣鈦礦薄膜具有較高的質(zhì)量以及覆蓋度。
[0009]本發(fā)明的目的之二是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種無鉛鈣鈦礦薄膜的制備方法，包括如下步驟:
a、稱取SnX2和CH3NH3X，X為Cl、Br或I;
b、將所稱取的SnX2和CH3NH3X作為兩個(gè)蒸發(fā)源放入共蒸發(fā)設(shè)備的腔室內(nèi)，同時(shí)在共蒸發(fā)設(shè)備的腔室內(nèi)設(shè)置基片；
C、對(duì)共蒸發(fā)設(shè)備的腔室進(jìn)行抽真空；
d、對(duì)SnX2蒸發(fā)源進(jìn)行加熱，使SnX2蒸發(fā)并沉積在基片上;之后停止對(duì)SnX2蒸發(fā)源進(jìn)行加熱，繼而對(duì)CH3NH3X蒸發(fā)源加熱，使CH3NH3X蒸發(fā)并沉積在基片上，完成SnX2和CH3NH3X交替蒸發(fā)的一個(gè)循環(huán)；
e、重復(fù)步驟d，完成SnX2和CH3NH3X交替蒸發(fā)的第二個(gè)循環(huán)；
f、取出基片，并對(duì)其進(jìn)行退火處理，退火完成后即制成無鉛鈣鈦礦薄膜CH3NH3SnX3。
[0010]優(yōu)選的，步驟f中退火溫度為100°0160°C，退火時(shí)間為20min?40min。
[0011]更優(yōu)選的，步驟f中退火溫度為160 °C，退火時(shí)間為30min。
[0012]優(yōu)選的，步驟f中所形成的無鉛鈣鈦礦薄膜CH3NH3SnX3的厚度為280nm?450nm。
[0013]優(yōu)選的，步驟c中對(duì)共蒸發(fā)設(shè)備的腔室抽真空至5X 10—5Pa?30 X 10—5Pa。
[0014]本發(fā)明通過有機(jī)無機(jī)交替共蒸發(fā)的方法來制備鈣鈦礦薄膜，相比現(xiàn)有的液相一步法所制備的鈣鈦礦薄膜覆蓋度高；而且，本發(fā)明使用Sn代替?zhèn)鹘y(tǒng)有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜中的Pb，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型新型能源的制備，同時(shí)也為Sn-based (錫基)無鉛鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化提供一種可能。
[0015]采用本發(fā)明不僅可獲得優(yōu)質(zhì)大尺寸的無鉛鈣鈦礦薄膜，而且還可解決鉛污染的問題，有利于環(huán)境保護(hù);第三，有機(jī)無機(jī)共蒸發(fā)法制備的薄膜比較平整，便于大面積生產(chǎn)，為無鉛鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化提供了可能。
[0016]本發(fā)明的目的之三是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種鈣鈦礦太陽能電池，所述鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦薄膜為無鉛鈣鈦礦薄膜，所述無鉛鈣鈦礦薄膜的化學(xué)通式為CH3NH3SnX3;其中，X為Cl、Br或I。
[0017]采用本發(fā)明中的方法所制備的無鉛鈣鈦礦薄膜，完全可以滿足鈣鈦礦太陽能電池對(duì)鈣鈦礦薄膜高質(zhì)量的要求，采用該高質(zhì)量的無鉛鈣鈦礦薄膜，最終可獲得高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中不同退火溫度下所得的鈣鈦礦薄膜CH3NH3Sn 13的XRD對(duì)比圖。
[0019]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中退火溫度為1600C時(shí)所得的鈣鈦礦薄膜CH3NH3SnI3的SEM圖。
[0020]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中退火溫度為160°C時(shí)所得的鈣鈦礦薄膜CH3NH3SnI3的熒光光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明所提供的無鉛鈣鈦礦薄膜的化學(xué)通式為CH3NH3SnX3;其中，X為Cl、Br或I。該無鉛鈣鈦礦薄膜的制備方法具體如下:
a、稱取SnX2粉末和CH3NH3X粉末，X為Cl、Br或I。
[0022]b、將所稱取的SnX2和CH3NH3X作為兩個(gè)蒸發(fā)源放入共蒸發(fā)設(shè)備的腔室內(nèi)，同時(shí)在共蒸發(fā)設(shè)備的腔室內(nèi)放置基片(或稱襯底、基底);共蒸發(fā)設(shè)備可以為多源共蒸發(fā)設(shè)備。
[0023]C、對(duì)共蒸發(fā)設(shè)備的腔室進(jìn)行抽真空;一般可抽真空至5 X 10—5Pa?30 X 10—5Pa。
[0024]d、首先對(duì)蒸發(fā)源SnX2進(jìn)行加熱，使SnX2蒸發(fā)并沉積在基片上；之后停止對(duì)蒸發(fā)源SnX2進(jìn)行加熱，繼而對(duì)蒸發(fā)源CH3NH3X加熱，使CH3NH3X蒸發(fā)并沉積在基片上，完成SnX2和CH3NH3X交替蒸發(fā)的一個(gè)循環(huán)。
[0025]e、重復(fù)步驟d，完成SnX2和CH3NH3X交替蒸發(fā)的第二個(gè)循環(huán)。
[0026]f、取出基片，并對(duì)其進(jìn)行退火處理，退火溫度為100°0160°C，退火時(shí)間為20min?40min，退火完成后即制成無鉛鈣鈦礦薄膜CH3NH3SnX3t5無鉛鈣鈦礦薄膜CH3NH3SnX3的厚度可以為 280nm?450nm。<