CN107134531B - 一种增大钙钛矿CH3NH3PbI3晶粒以改善薄膜结晶质量的方法 - Google Patents

一种增大钙钛矿CH3NH3PbI3晶粒以改善薄膜结晶质量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增大钙钛矿CH3NH3PbI3晶粒以改善薄膜结晶质量的方法，该方法在采用旋涂法制备钙钛矿薄膜的过程中，通过对钙钛矿CH3NH3PbI3前驱液施加强而稳定的磁场，促进了钙钛矿CH3NH3PbI3成膜过程中晶粒的长大，增加了钙钛矿晶粒尺寸，提高了结晶质量、降低了缺陷密度，从而提高了CH3NH3PbI3薄膜太阳能电池光电转化效率和寿命。

Description

一种增大钙钛矿CH3NH3PbI3晶粒以改善薄膜结晶质量的方法
技术领域
本发明属于太阳能电池制作技术领域，具体涉及一种增大钙钛矿CH3NH3PbI3晶粒以改善薄膜结晶质量的方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池技术是近几年出现发展速度很快的第三代太阳能电池，是目前最有希望取代硅电池的一种技术。钙钛矿太阳能电池效率高，制作工艺简单，成本低廉，环境友好并可应用于制作柔性衬底太阳能电池。钙钛矿太阳能电池的诸多优点为其未来进行大规模生产应用奠定了基础，是当下太阳能电池研究的最重要的领域和发展方向，具有广阔的市场前景。
在钙钛矿太阳能电池的制作过程中，为了帮助钙钛矿CH3NH3PbI3膜层的结晶生长，需要在钙钛矿旋涂过程中滴加反溶剂氯苯来帮助甲氨基碘和碘化铅析出并结晶形成钙钛矿，并在随后退火过程中晶粒进一步长大。钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜的晶粒尺寸决定了钙钛矿太阳能电池的性能，晶粒尺寸越大，缺陷密度越小，光电转换效率越高，钙钛矿膜层越稳定，使用寿命越长且对水、氧的敏感度降低。当前的旋涂工艺中，钙钛矿结晶过程较快，对钙钛矿CH3NH3PbI3成膜质量有所影响，限制了晶粒的长大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有工艺制备的钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜中晶体结晶质量差、晶粒尺寸小、缺陷密度高的问题，提供一种通过施加磁场，增大钙钛矿CH3NH3PbI3晶粒以改善薄膜结晶质量的方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案由下述步骤组成：
1、采用水溶液沉积法，在清洗干净的FTO导电玻璃表面沉积致密型TiO2层。
2、采用旋涂法在致密型TiO2层上制备钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜，并且在旋涂过程中，对钙钛矿CH3NH3PbI3前驱液施加磁场。
上述在旋涂过程中，对钙钛矿CH3NH3PbI3前驱液施加的磁场强度为30～ 120mT，优选磁场强度为70～90mT。
上述的钙钛矿CH3NH3PbI3前驱液是将CH3NH3I与PbI2按摩尔比为1:1加入γ- 丁内酯与DMSO体积比为7:3的混合溶液中，得到的1.0～1.5mol/L的CH3NH3PbI3溶液。本发明在采用旋涂法制备钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜的过程中，通过对钙钛矿 CH3NH3PbI3前驱液施加强而稳定的磁场，促进了钙钛矿成膜过程中晶粒的长大，增加了钙钛矿晶粒尺寸，提高了结晶质量、降低了缺陷密度，从而提高了光电转化效率和寿命。本发明方法也可用于现有技术中制备其他类型的钙钛矿薄膜。附图说明
图1是磁场作用示意图，其中1是磁场作用方向，2是铺满钙钛矿CH3NH3PbI3前驱液的FTO导电玻璃，3是旋涂仪，4是样品台。
图2是实施例1与对比例1得到的钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜的XRD衍射图。
图3是对比例1得到的钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜的扫描电镜图。
图4是实施例1得到的钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜的扫描电镜图。
图5是钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜电池结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
1、将尺寸为2.5cm×2.5cm的FTO导电玻璃用无水乙醇擦拭后，依次在无水乙醇、丙酮、异丙醇、无水乙醇4种溶液中分别超声清洗30分钟。使用移液枪取纯度为99.99％的TiCl4水溶液4.5mL(4.5mol)，滴入200mL超纯水结成的冰中，静置融化，生成TiO2水溶液。将清洗后的FTO导电玻璃放入紫外处理机UVO CLEANER中，在UVD波段，波长为100～280nm的紫外光下处理导电面15分钟，然后置于培养皿中，导电面朝上放置，用3mm宽的胶带粘贴导电面的一侧，将其固定在培养皿底部。将TiO2水溶液倒入培养皿中，浸没FTO导电玻璃，加盖，放入恒温烘箱，70℃保温1小时，在FTO导电玻璃表面沉积致密型TiO2层。沉积完后，将FTO导电玻璃取出用超纯水和乙醇清洗并吹干。
2、将0.3816g(0.0024mol)CH3NH3I与1.1064g(0.0024mol)PbI2加入2mLγ- 丁内酯(GBL)与DMSO的体积比为7:3的混合溶液中，得到1.2mol/L的 CH3NH3PbI3溶液，即钙钛矿CH3NH3PbI3前驱液。如图1所示，使用移液枪取钙钛矿CH3NH3PbI3前驱液，滴于步骤1中得到的致密型TiO2层上并铺满，将钕磁铁悬于FTO导电玻璃正上方，对其施加80mT强度的磁场。旋转工段设置为 1000rpm旋转10s之后4000rpm旋转40s。并在4000rpm旋转20s时使用移液枪滴加150μL氯苯。磁场作用时间从旋转开始至滴加氯苯时结束。旋涂完毕后在热台上100℃退火处理10mins，得到钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜。
对比例1
本对比例中，不加磁场作用，其他步骤与实施例1相同，得到钙钛矿 CH3NH3PbI3薄膜。
发明人采用X-射线衍射仪和扫描电镜对实施例1和对比例1得到的钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜进行表征，结果见图2～4。由图2可见，实施例1相比对比例1 的XRD衍射图样在14.4°的(110)峰位的峰强更强，半峰宽更小，说明施加磁场后所得钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜的结晶质量更好、纯度更高、晶粒尺寸更大，亦即薄膜质量更好。由图3和4的扫描电镜照片进一步可以看出施加磁场后所得钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜的晶粒尺寸增加，同样证明施加磁场后所得钙钛矿 CH3NH3PbI3薄膜的结晶质量更好，薄膜质量更好。
实施例2
本实施例中，磁场强度为30mT，其他步骤与实施例1相同，得到钙钛矿 CH3NH3PbI3薄膜。
实施例3
本实施例中，磁场强度为50mT，其他步骤与实施例1相同，得到钙钛矿 CH3NH3PbI3薄膜。
实施例4
本实施例中，磁场强度为70mT，其他步骤与实施例1相同，得到钙钛矿 CH3NH3PbI3薄膜。
实施例5
本实施例中，磁场强度为90mT，其他步骤与实施例1相同，得到钙钛矿 CH3NH3PbI3薄膜。
实施例6
本实施例中，磁场强度为120mT，其他步骤与实施例1相同，得到钙钛矿 CH3NH3PbI3薄膜。
为了证明本发明的有益效果，发明人分别将实施例1～6和对比例1得到的钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜制备成完整的电池，并对电池的性能进行了测试，具体实验如下：
将90mg Sprio-OMeTAD、36μL tBP和22μL Li盐(每毫升乙腈中加入520mg Li·TFSI配制而成)加入1mL氯苯中，得到Sprio-OMeTAD溶液；使用移液枪取Sprio-OMeTAD溶液滴于钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜上并铺满，旋转工段设置为 5000rpm旋转30s，在钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜上旋涂Sprio-OMeTAD空穴传输层。在空穴传输层上采用热蒸发的方式蒸镀纯度为99.999％的高纯度金作为背电极，以制备TiO2电子传输层时被胶带粘贴部分的FTO导电玻璃作为电极，制备成完整的电池(见图5)。电池性能的测试结果见表1。
表1不同电池的性能对比
实施例 开路电压(V) 短路电流密度(mA/cm<sup>2</sup>) 填充因子 光电转化效率
实施例1 1.06V 23.57 77％ 18.56％
实施例2 1.06V 20.58 74％ 16.82％
实施例3 1.08V 21.31 76％ 17.52％
实施例4 1.08V 21.82 76％ 17.95％
实施例5 1.08V 22.43 75％ 18.09％
实施例6 1.08V 21.80 74％ 17.44％
对比例1 1.06V 20.30 72％ 16.02％
由表1可见，与对比例1相比，本发明实施例1～6得到的钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜制备成太阳能电池后，其填充因子、短路电流密度、光电转化效率均显著提高，说明磁场作用对提高钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜质量有非常显著的效果。

Claims (3)

1.一种增大钙钛矿CH3NH3PbI3晶粒以改善薄膜结晶质量的方法，它由下述步骤组成：
（1）采用水溶液沉积法，将TiO2水溶液倒入培养皿中，浸没清洗干净的FTO导电玻璃，加盖，放入恒温烘箱，70℃保温1小时，在FTO导电玻璃表面沉积致密型TiO2层；
（2）采用旋涂法在致密型TiO2层上制备钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜；
其特征在于：在步骤（2）的旋涂过程中，对钙钛矿CH3NH3PbI3前驱液施加磁场，所述磁场的磁场强度为30～120mT，旋涂完毕后在热台上100℃退火处理10mins。
2.根据权利要求1所述的增大钙钛矿CH3NH3PbI3晶粒以改善薄膜结晶质量的方法，其特征在于：所述磁场的磁场强度为70～90mT。
3.根据权利要求1或2所述的增大钙钛矿CH3NH3PbI3晶粒以改善薄膜结晶质量的方法，其特征在于：所述的钙钛矿CH3NH3PbI3前驱液是将CH3NH3I与PbI2按摩尔比为1:1加入γ-丁内酯与DMSO体积比为7:3的混合溶液中，得到的1.0～1.5mol/L的CH3NH3PbI3溶液。
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