CN108831999A - 一种精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的方法，通过将次磷酸铵以不同的途径加入到钙钛矿前驱体溶液中，再通过调节次磷酸铵在钙钛矿前驱体溶液的不同浓度配比来实现晶粒尺寸大小的调控。所述次磷酸铵加入到钙钛矿前驱体溶液的途径为：添加到前驱体CH3NH3I溶液中，或者直接匀胶到薄膜PbI2上。本发明制备得到的钙钛矿薄膜均一致密，表面平整，晶粒尺寸大。

Description

一种精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的制备方法
技术领域
本发明属于光电材料技术领域，具体涉及一种精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的制备 方法。
背景技术
环境污染和能源危机的成为人类面临的挑战，寻找一种新的清洁能源迫在眉睫。太 阳能清洁干净无污染，且储量巨大，用之不竭，成为最具有发展潜力的新型能源。将太阳能转换为电能最基本的单元是太阳能电池，近些年来以钙钛矿作为吸光材料的新型太阳能电池发展迅猛，转化效率不断提升，但是目前的效率和理论上的最大值(33％)还 存在着较大差距，对于进一步提高效率仍然有很大的空间。
一般来说，钙钛矿薄膜中存在的缺陷或杂质更可能集中在晶界上，而这些杂质和缺 陷又会充当无辐射激子复合中心，从而影响非辐射激子复合，影响薄膜的光吸收。因次，要得到高性能的光伏器件，通过降低晶界密度来减少非辐射激子复合引起的电荷和能量损失成为一种必要的途径。此外，晶界的存在也使得多晶钙钛矿薄膜有着一定水分渗透 的可能，从而加快降解速度。
针对上述晶界密度的问题，人们已经做出各种努力和尝试来改善薄膜形貌，包括混 合溶剂(DMSO/GBL)，反溶剂处理，含氯添加剂，沉积工艺优化(例如两步沉积)，以 实现了将小尺寸晶粒重新结晶成大尺寸晶粒。但这些方法对于结晶过程和晶粒尺寸的精 确控制仍然有这挑战性而且难以监测和控制钙钛矿晶粒尺寸。最近研究发现 CH3NH3H2PO2和H3PO2是CH3NH3I(MAI)合成的副产物，能够有效抑制I-向I2的氧 化，这也在本质使还原性化合物在钙钛矿光伏中的应用显得很有希望，同时在控制晶体 成核和晶粒生长方面的功能也值得探索。
发明内容
本发明的目的是提供一种精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的制备方法，以有效控制钙 钛矿薄膜形貌的晶体生长和晶粒尺寸，最大可能地提高器件性能和降低薄膜内部缺陷。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的方法，通过将次磷酸铵以不同的途径加入到钙 钛矿前驱体溶液中，再通过调节次磷酸铵在钙钛矿前驱体溶液的不同浓度配比来实现晶 粒尺寸大小的调控。
所述次磷酸铵加入到钙钛矿前驱体溶液的途径为：添加到前驱体CH3NH3I溶液中，或者直接匀胶到薄膜PbI2上。
所述次磷酸铵在钙钛矿前驱体溶液的浓度选择为：0mg/mL、1mg/mL、2mg/mL、2.5mg/mL或3mg/mL，优选为2.5mg/mL。
所述次磷酸铵添加到钙钛矿前驱体溶液中的方法为：向异丙醇中加入次磷酸铵粉体， 待搅拌均后将含有次磷酸铵的异丙醇溶液加入到CH3NH3I粉体中，搅拌均匀，得到掺 有次磷酸铵的钙钛矿前驱体CH3NH3I溶液。
所述次磷酸铵直接匀胶到薄膜PbI2上的步骤为：首先，向异丙醇中加入次磷酸铵粉 体，待搅拌均后，得到次磷酸铵溶液；然后，将次磷酸铵溶液在常温的条件下滴到薄膜PbI2上并匀胶。
上述的方法能够应用于制备高效钙钛光伏器件或钙钛矿发光器件，能够获得高效的 钙钛矿器件。
所述器件的结构为：ITO/空穴传输层/钙钛矿层/电子传输层/Au电极。
有益效果：本发明的制备方法可以产生以下有益效果：1)在钙钛矿前驱体溶液中添加次磷酸铵(AHP)的方法简单易行，效果显著；2)通过调节不同的次磷酸铵(AHP) 配比浓度来控制钙钛矿晶粒的尺寸，实现薄膜晶粒尺寸的精确控制；避免了薄膜晶体生 长的无序和晶粒尺寸大小的不均一，能够减少内部缺陷；3)制得的薄膜质量致密，形 貌平整，晶粒尺寸均匀接近1μm，有助于提高电流密度和开路电压，从而提升电池的 效率；4)该制备方法可以兼容于采用简单的溶液加工工艺制备大面积钙钛矿器件，并 获得优异的光电性能。
附图说明
图1a-图1f为添加不同浓度的AHP后薄膜形貌和晶粒平均尺寸拟合曲线。
图2a-图2f为制备的钙钛矿太阳能电池的性能参数随AHP浓度的变化；以及器件的电流-电压特性曲线。
具体实施方式
本发明的一种精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的方法，通过将次磷酸铵(AHP)以不同的途径加入到钙钛矿前驱体溶液中，再通过调节次磷酸铵(AHP)在钙钛矿前驱体溶 液的不同浓度配比来实现晶粒尺寸大小的调控。
具体的，次磷酸铵(AHP)加入到钙钛矿前驱体溶液的途径为：添加到前驱体CH3NH3I溶液中，或者直接匀胶到薄膜PbI2上。
次磷酸铵(AHP)在钙钛矿前驱体溶液的浓度选择为：0mg/mL、1mg/mL、2mg/mL、2.5mg/mL或3mg/mL，优选的浓度为2.5mg/mL。
上述方法能够应用于制备钙钛矿光伏器件或钙钛矿发光器件，能够获得高效的钙钛 矿器件。钙钛矿光伏器件或钙钛矿发光器件的结构为：ITO/空穴传输层/钙钛矿层/电子传输层/Au电极。
以下通过若干实施例对本发明做进一步说明，但实施例不限制本发明的涵盖范围。
下述实施例中，
ITO：氧化铟锡；
IPA：异丙醇；
DMF：二甲基甲酰胺；
AHP：次磷酸铵；
MAI：CH3NH3I；
PC61BM：6,6-苯基-C61丁酸甲酯；
CB：氯苯；
F4-TCNQ：2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌；
PTAA：聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]。
实施例1
一种调控钙钛矿薄膜晶粒生长和尺寸的制备方法，包括以下步骤：
(1)将刻蚀好的ITO(氧化铟锡)导电玻璃清洗，然后用氮气吹干，得到干净的ITO基片；
(2)掺有F4-TCNQ的空穴传输层溶液的制备：向IPA(异丙醇)中加入2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌(F4-TCNQ)粉体，待搅拌均后将含有F4-TCNQ的IPA溶液加入到聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)粉体中，搅拌均匀即得掺有F4-TCNQ的空穴传输层溶液；其中，F4-TCNQ粉体和IPA的固液质量比为0.1wt％、PTAA粉体与 IPA的固液比为5mg/mL；
(3)将步骤(2)配置的溶液滴到步骤(1)得到的干净的ITO基片上，而后匀胶， 最后将匀胶好的ITO基片放到热台上，退火，ITO基片上得到一层PTAA:F4-TCNQ薄 膜，得到的基片记为ITO/PTAA:F4-TCNQ；
(4)钙钛矿前驱体溶液PbI2的配置：向PbI2粉体中加入DMF(二甲基甲酰胺)溶液，PbI2粉体与DMF的固液比为416mg/mL；
(5)掺有AHP(次磷酸铵)的钙钛矿前驱体溶液MAI(CH3NH3I)的制备：向IPA 中加入AHP粉体，待搅拌均后将含有AHP的IPA溶液加入到MAI粉体中，搅拌均匀， 即得到掺有AHP的钙钛矿前驱体MAI溶液；其中，AHP粉体和IPA的固液比为1mg/mL、 2mg/mL、2.5mg/mL、3mg/mL，MAI粉体与IPA的固液比为65mg/mL；
(6)将步骤(4)配置的溶液在100℃的条件下滴到步骤(3)得到的基片上并匀胶，然后加热，得到的基片记为ITO/PTAA:F4-TCNQ/PbI2；
(7)将(5)配置的溶液在常温的条件下滴到步骤(6)得到的基片上并匀胶，然 后加热一个小时，得到的基片记为ITO/PTAA:F4-TCNQ/CH3NH3PbI3；
(8)电子传输层溶液和界面修饰材料TrNBr溶液的制备：向PC61BM(6,6-苯基-C61丁酸甲酯)粉体中加入CB(氯苯)，待搅拌均匀后即得电子传输层溶液；向TrNBr粉体中 加入IPA，待搅拌均匀后即得界面修饰材料TrNBr的溶液；
(9)将步骤(8)配置的电子传输层溶液和界面修饰材料TrNBr溶液在常温的条件下依次滴到步骤(7)得到的基片上并匀胶，然后加热，得到的基片记为ITO/ PTAA:F4-TCNQ/CH3NH3PbI3/PC61BM/TrNBr；
(10)将步骤(9)得到的基片在真空环境下蒸镀一层银电极即完成电池制作，最 终得到钙钛矿太阳能电池，记为ITO/PTAA:F4-TCNQ/CH3NH3PbI3/PC61BM/TrNBr/Ag。
上述步骤(1)中，ITO导电玻璃清洗时，依次在去离子水、丙酮、无水乙醇中各 超声清洗5-20分钟。
步骤(3)中，匀胶时的具体操作是将基片放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶10-50 秒；步骤(6)中，匀胶时的具体操作是放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶20～30秒；步骤(7)中，匀胶时的具体操作是放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶20～30秒；步 骤(9)中，匀胶时的具体操作是放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶20～30秒。
步骤(3)中的退火是在100℃下退火4～10min；步骤(6)中的退火是在100℃下 退火4～10min；步骤(7)中的退火是在100℃下退火60min；步骤(9)中的退火是在 90℃下退火4～10min。
实施例1中制备得到的钙钛矿太阳能电池的XRD图，如图1a-1d所示，图1a-1d为 钙钛矿薄膜的XRD表征，充分证明是钙钛矿。图2a-2f为添加不同浓度的AHP后薄膜 形貌和晶粒平均尺寸拟合曲线，充分证明薄膜质量和晶粒尺寸和AHP浓度有依赖关系。 表1为制备的钙钛矿太阳能电池的性能参数随AHP浓度的变化；以及器件的电流-电压 特性曲线，充分证明了添加AHP后，器件的性能随着AHP浓度变化，且在2.5mg/mL 达到最好。
表1
实施例2
一种调控钙钛矿薄膜晶粒生长和尺寸的制备方法，包括以下步骤:
(1)将刻蚀好的ITO(氧化铟锡)导电玻璃清洗，然后用氮气吹干，得到干净的ITO基片；
(2)掺有F4-TCNQ的空穴传输层溶液的制备：向IPA(异丙醇)中加入F4-TCNQ 粉体，待搅拌均后将含有F4-TCNQ的IPA溶液加入到PTAA粉体中，搅拌均匀即得掺 有F4-TCNQ的空穴传输层溶液；其中，F4-TCNQ粉体和IPA的固液质量比为0.1wt％、 PTAA粉体与IPA的固液比为5mg/mL；
(3)将步骤(2)配置的溶液滴到步骤(1)得到的干净的ITO基片上，而后匀胶， 最后将匀胶好的ITO基片放到热台上，退火，ITO基片上得到一层PTAA:F4-TCNQ薄 膜，得到的基片记为ITO/PTAA:F4-TCNQ；
(4)钙钛矿前驱体溶液PbI2的配置：向PbI2粉体中加入DMF(二甲基甲酰胺)溶液，PbI2粉体与DMF的固液比为416mg/mL；
(5)将步骤(4)配置的溶液在100℃的条件下滴到步骤步骤(3)得到的基片上并 匀胶，然后加热，得到的基片记为ITO/PTAA:F4-TCNQ/PbI2；
(6)AHP(次磷酸铵)溶液的制备：向IPA中加入AHP粉体，待搅拌均后，即得 到AHP的溶液，AHP粉体和IPA的固液比为1mg/mL、2mg/mL、2.5mg/mL、3mg/mL；
(7)前驱体溶液MAI(CH3NH3I)的制备：向IPA中加入MAI粉体，待搅拌均后， MAI粉体和IPA的固液比为65mg/mL；
(8)将步骤(6)配置的溶液在常温的条件下滴到步骤(5)得到的基片上并匀胶， 然后加热一，得到的基片记为ITO/PTAA:F4-TCNQ/PbI2/AHP；
(9)将步骤(7)配置的溶液在常温的条件下滴到步骤(8)得到的基片上并匀胶， 然后加热一个小时，得到的基片记为ITO/PTAA:F4-TCNQ/CH3NH3PbI3；
(10)电子传输层PC61BM溶液和界面修饰材料TrNBr溶液的制备：向PC61BM (6,6-苯基-C61丁酸甲酯)粉体中加入CB(氯苯)，待搅拌均匀后即得电子传输层溶液； 向TrNB粉体中加入IPA，待搅拌均匀后即得界面修饰材料TrNBr的溶液；
(11)将步骤(10)配置的两个溶液在常温的条件下依次滴到步骤(7)得到的基 片上并匀胶，然后加热，得到的基片记为ITO/PTAA:F4-TCNQ/ CH3NH3PbI3/PC61BM/TrNBr；
(12)将步骤(11)得到的基片在真空环境下蒸镀一层银电极即完成电池制作，最终得到钙钛矿太阳能电池，记为ITO/PTAA:F4-TCNQ/CH3NH3PbI3/PC61BM/TrNBr/Ag。
上述步骤(1)中，ITO导电玻璃清洗时，依次在去离子水、丙酮、无水乙醇中各 超声清洗5-20分钟。
步骤(3)中，匀胶时的具体操作是将基片放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶10-50 秒；步骤(5)中，匀胶时的具体操作是放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶20～30秒；步骤(8)中，匀胶时的具体操作是放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶20～30秒；步 骤(9)中，匀胶时的具体操作是放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶20～30秒；步骤 (11)中，匀胶时的具体操作是放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶20～30秒。
步骤(3)中的退火是在100℃下退火4～10min；步骤(5)中的退火是在100℃下 退火4～10min；步骤(9)中的退火是在100℃下退火60min；步骤(11)中的退火是 在90℃下退火4～10min。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的方法，其特征在于：通过将次磷酸铵以不同的途径加入到钙钛矿前驱体溶液中，再通过调节次磷酸铵在钙钛矿前驱体溶液的不同浓度配比来实现晶粒尺寸大小的调控。
2.根据权利要求1所述的精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的方法，其特征在于：所述次磷酸铵加入到钙钛矿前驱体溶液的途径为：添加到前驱体CH3NH3I溶液中，或者直接匀胶到薄膜PbI2上。
3.根据权利要求1所述的精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的方法，其特征在于：所述次磷酸铵在钙钛矿前驱体溶液的浓度选择为：0mg/mL、1mg/mL、2mg/mL、2.5mg/mL或3mg/mL。
4.根据权利要求3所述的精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的方法，其特征在于：所述次磷酸铵在钙钛矿前驱体溶液的浓度为：2.5mg/mL。
5.根据权利要求2所述的精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的方法，其特征在于：所述次磷酸铵添加到钙钛矿前驱体溶液中的方法为：向异丙醇中加入次磷酸铵粉体，待搅拌均后将含有次磷酸铵的异丙醇溶液加入到CH3NH3I粉体中，搅拌均匀，得到掺有次磷酸铵的钙钛矿前驱体CH3NH3I溶液。
6.根据权利要求2所述的精确调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸的方法，其特征在于：所述次磷酸铵直接匀胶到薄膜PbI2上的步骤为：首先，向异丙醇中加入次磷酸铵粉体，待搅拌均后，得到次磷酸铵溶液；然后，将次磷酸铵溶液在常温的条件下滴到薄膜PbI2上并匀胶。
7.一种利用权利要求1-6任一所述的方法制备高效钙钛光伏器件或钙钛矿发光器件的方法。
8.根据权利要求7所述的制备高效钙钛光伏器件或钙钛矿发光器件的方法，其特征在于：所述器件的结构为：ITO/空穴传输层/钙钛矿层/电子传输层/Au电极。
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