CN108832005B - 利用单源热蒸发法制备高效率CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法 - Google Patents

利用单源热蒸发法制备高效率CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用单源热蒸发法制备高效率CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法，该方法先将PbBr2与CsBr按一定的摩尔比混合后压片，制成片状CsPbBr3，然后以该片状CsPbBr3为蒸镀原料，采用单源热蒸发法制备CsPbBr3薄膜，从而制作出高效率的CsPbBr3无机钙钛矿电池。本发明方法操作简单，开始蒸镀前不需要花费时间将两种前驱体PbBr2和CsBr的蒸发速率准确地调至特定速率比，同时也解决了双源共蒸法在蒸镀过程中长时间保持两种前驱体的一定蒸发速率比困难的问题，两种源材料按一定比例同时从一个蒸发源蒸发出来，从而容易地沉积出高质量的CsPbBr3薄膜及制作出高效率的CsPbBr3无机钙钛矿电池。

Description

利用单源热蒸发法制备高效率CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法
技术领域
本发明属于钙钛矿(CsPbBr3)电池制作技术领域，具体涉及一种利用单源热蒸发法制备CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法。
背景技术
近年来有机-无机杂化钙钛矿(CH3NH3PbI3)材料因其具有成本低、宽的光谱吸收范围、可调的直接带隙、高的吸收系数、组分可调、长的载流子扩散距离等优异的性能，使其在电池领域有非常广阔的发展前景。在只有10年的时间里，基于有机-无机杂化钙钛矿太阳电池效率从最初的3.8％稳步增长到目前的22.7％，但要真正实现商业化，仍面临几个待解决的问题：大面积制备、替换有毒金属铅以及稳定性，而其不稳定的主要因素是有机元素的存在，因此提高稳定性一个有效地方法是用无机材料替换不稳定的有机材料。
最近，CsMX3(M＝Pb或Sn；X＝I、Br、Cl或混合卤素)无机钙钛矿在提高电池稳定性方面引起了广泛关注。全无机钙钛矿电池CsSnI3、CsPbI3、CsPbI2Br、 CsPbIBr2和CsPbBr3均具有较好的光伏性能。在这些无机电池中，CsPbBr3无机电池稳定性是最好的，也是最有可能实现实际应用的钙钛矿材料。但制作高性能光伏器件，薄膜制备方法非常重要。之前CsPbBr3薄膜是通过溶液法制备的，其制备的薄膜重复性差，有孔洞，且不能大面积制备，因此希望通过热蒸发法制备高质量的 CsPbBr3薄膜；用双源共蒸的热蒸发法制备CsPbBr3薄膜，在蒸镀过程中无法长时间保持两种前驱体原料(PbBr2和CsBr)的一定蒸发速率比，并且在开始蒸镀前将两种前驱体材料的蒸发速率准确地调至特定速率比也很耗时，因此应探索方便省时的制备高质量CsPbBr3薄膜的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述用双源共蒸法制备CsPbBr3薄膜工艺中存在的蒸发速率比难以控制的问题，提供一种单源热蒸发法制备高质量CsPbBr3薄膜，从而制作出高效率的CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案由下述步骤组成：
1、在清洗干净的FTO导电玻璃上沉积一层TiO2电子传输层。
2、将PbBr2与CsBr按摩尔比为0.5～1.1:1充分研磨混合均匀后压片，获得片状CsPbBr3；然后以片状CsPbBr3为蒸镀原料，采用真空热蒸发镀膜设备在步骤1 中制备好的TiO2电子传输层表面沉积一层厚度为350～850nm的CsPbBr3薄膜，蒸镀原料的加热温度为260～450℃，衬底温度为220～350℃，沉积速率为
Figure BDA0001707346880000021
Figure BDA0001707346880000022
3、在步骤2中沉积的CsPbBr3薄膜表面旋涂空穴传输层、蒸镀Au电极，得到 CsPbBr3无机钙钛矿电池。
上述步骤1中，所述TiO2电子传输层的厚度为30～40nm。
上述步骤2中，优选将PbBr2与CsBr按摩尔比为0.8～1:1充分研磨混合均匀后压片，获得片状CsPbBr3。
上述步骤2中，所述CsPbBr3薄膜的沉积厚度优选550～750nm。
上述步骤2中，进一步优选衬底温度为280～320℃，沉积速率为
Figure BDA0001707346880000023
本发明的有益效果如下：
本发明先将PbBr2与CsBr按一定的摩尔比混合后压片，制成片状CsPbBr3，然后以该片状CsPbBr3为蒸镀原料，采用单源热蒸发法制备CsPbBr3薄膜，从而制作出高效率的CsPbBr3无机钙钛矿电池。本发明方法操作简单，开始蒸镀前不需要花费时间将两种前驱体PbBr2和CsBr的蒸发速率准确地调至特定速率比，同时也解决了双源共蒸法在蒸镀过程中长时间保持两种前驱体的一定蒸发速率比困难的问题，两种源材料按一定比例同时从一个蒸发源内蒸发出来，从而容易地沉积出高质量的 CsPbBr3薄膜及制作出高效率的CsPbBr3无机钙钛矿电池。
附图说明
图1是实施例1中利用单源热蒸发法制备出的CsPbBr3薄膜的XRD衍射图。
图2是实施例1中制作的电池的I-V曲线。
图3是实施例2中制作的电池的I-V曲线。
图4是实施例3中制作的电池的I-V曲线。
图5是实施例4中制作的电池的I-V曲线。
图6实施例5中制作的电池的I-V曲线。
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2.5cm×2.5cm的FTO导电玻璃用无水乙醇擦拭后，依次在丙酮、异丙醇、无水乙醇中分别超声清洗30min，用氮气吹干。然后采用化学沉积法在上述清洗干净的FTO导电玻璃表面沉积一层厚度为40nm的TiO2电子传输层。
2、称取0.46g(0.8mmol)PbBr2与0.34g(1mmol)CsBr(纯度：99.99％)，充分研磨混合均匀后倒入直径为1cm的模具用压片机在压力为1.5MPa下压片约5 s，获得片状CsPbBr3。然后将步骤1中沉积TiO2电子传输层后的FTO导电玻璃置于真空热蒸发镀膜设备的样品架上，将片状CsPbBr3放入蒸发源中，关上样品挡板和蒸发源挡板，抽真空至10Pa以下，启动衬底加热按钮，设定目标温度300℃；待真空度抽至5×10-3Pa以下，打开膜厚仪，开始加热蒸发源内的片状CsPbBr3，打开蒸发源挡板，开始速率监测；在蒸发源加热温度达到260℃时膜厚仪开始有速率，打开样品挡板及样品旋转按钮，调节蒸发源温度至350～360℃，使薄膜沉积速率保持在
Figure BDA0001707346880000031
直至沉积的CsPbBr3薄膜厚度为350nm。所得薄膜的XRD衍射图如图1所示，在2θ为16.26°、21.6°、26.34°、30.37°、37.74°和44.15°处出现了特征峰，其分别对应CsPbBr3的(100)、(110)、(111)、(002)、(211)和(220) 晶面，与PDF#18-0364卡片一致。
3、将90mg Spiro-OMeTAD加入1mL氯苯中，并加入22μL LiTFSI(锂盐)、 36μL TBP(4-叔丁基吡啶)，搅拌5h，过滤，然后采用溶液旋涂法，将过滤后的溶液以转速为5000rpm/s旋涂在步骤2中制备好的CsPbBr3钙钛矿薄膜表面，旋涂时间为30s，得到Spiro-OMeTAD空穴传输层；最后在空穴传输层上蒸镀Au电极，得到CsPbBr3无机钙钛矿电池。制作出的电池采用AM1.5太阳模拟器测试太阳电池 I-V特性(见图2)，光电转换效率可达6.71％。
实施例2
本实施例中，称取0.54g(0.9mmol)PbBr2与0.34g(1mmol)CsBr(纯度： 99.99％)，充分研磨混合均匀后倒入直径为1cm的模具用压片机在压力为1.5MPa 下压片约5s，获得片状CsPbBr3，其他步骤与实施例1相同。制作出的电池采用 AM1.5太阳模拟器测试太阳电池I-V特性(见图3)，光电转换效率可达7.14％。
实施例3
本实施例中，0.60g(1mmol)PbBr2与0.34g(1mmol)CsBr(纯度：99.99％)，充分研磨混合均匀后倒入直径为1cm的模具用压片机在压力为1.5MPa下压片约5 s，获得片状CsPbBr3，其他步骤与实施例1相同。制作出的电池采用AM1.5太阳模拟器测试太阳电池I-V特性(见图4)，光电转换效率可达6.35％。
实施例4
本实施例中，CsPbBr3薄膜沉积厚度为650nm，其他步骤与实施例2相同。制作出的电池采用AM1.5太阳模拟器测试太阳电池I-V特性(见图5)，光电转换效率可达8.65％。
实施例5
本实施例中，CsPbBr3薄膜沉积厚度为700nm，其他步骤与实施例2相同。制作出的电池采用AM1.5太阳模拟器测试太阳电池I-V特性(见图6)，光电转换效率可达7.15％。

Claims (5)

1.一种利用单源热蒸发法制备高效率CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法，其特征在于该方法由下述步骤组成：
(1)在清洗干净的FTO导电玻璃上沉积一层TiO2电子传输层；
(2)将PbBr2与CsBr按摩尔比为0.5～1.1:1充分研磨混合均匀后压片，获得片状CsPbBr3；然后以片状CsPbBr3为蒸镀原料，采用真空热蒸发镀膜设备在步骤(1)中制备好的TiO2电子传输层表面沉积一层厚度为350～850nm的CsPbBr3薄膜，蒸镀原料的加热温度为260～450℃，衬底温度为220～350℃，沉积速率为
Figure FDA0001707346870000011
(3)在步骤(2)中沉积的CsPbBr3薄膜表面旋涂空穴传输层、蒸镀Au电极，得到CsPbBr3无机钙钛矿电池。
2.根据权利要求1所述的利用单源热蒸发法制备高效率CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述TiO2电子传输层的厚度为30～40nm。
3.根据权利要求1所述的利用单源热蒸发法制备高效率CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法，其特征在于：步骤(2)中，将PbBr2与CsBr按摩尔比为0.8～1:1充分研磨混合均匀后压片，获得片状CsPbBr3。
4.根据权利要求1或3所述的利用单源热蒸发法制备高效率CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述CsPbBr3薄膜的沉积厚度为550～750nm。
5.根据权利要求4所述的利用单源热蒸发法制备高效率CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法，其特征在于：步骤(2)中，衬底温度为280～320℃，沉积速率为
Figure FDA0001707346870000012
Figure FDA0001707346870000013
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