CN109524294A - 一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，包括：1)、将全无机钙钛矿粉末加热至显著气化状态，形成包含气相无机钙钛矿的微粒子束流；2)、将具有金字塔形貌的基体放置于微粒子束流内距粒子源一定位置处，微粒子束流以一定角度施加到具有金字塔形貌的基体表面；3)、全无机钙钛矿膜进行快速干燥；4)、钙钛矿膜的热处理，最后得到均匀致密全覆盖的仿金字塔形全无机钙钛矿膜。本发明不仅解决了采用旋涂、刮涂以及采用丝网印刷等工艺破坏高陷光绒面结构导致叠层电池效率降低的问题，还避免了使用传统CH3NH3PbX3(X＝Cl,I，Br)钙钛矿材料因含有有机官能团，导致其化学和热稳定性差的问题，从而获得高效、稳定的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别具体涉及一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法。
背景技术
随着环境污染以及能源危机的日益严重，加大风能、水电能、地热能和太阳能等清洁能源的应用成为解决能源危机、应对环境污染的重要举措。太阳能具有安全、无污染、不受地理条件限制等一系列优点，毫无疑问成为最有前途的清洁能源。
目前，晶硅太阳能电池占据了光伏市场90％的份额，电池的效率已达到25.6％，接近肖克利—奎伊瑟(Shockley—Queisser)极限效率(29.4％)。虽然，晶硅太阳能电池具有较宽的吸收光谱，但是它对高能量的光谱吸收较少，电池的开路电压(VOC)较低。钙钛矿太阳能电池自2009年诞生以来，因其具有良好的光吸收、光电转换特性以及优异的光生载流子输运特征，经过短短几年的发展，效率已经突破23％以上。同时，钙钛矿太阳电池可以通过控制钙钛矿材料中卤族元素的比例调控电池的光谱吸收范围。因此，由钙钛矿/晶硅叠层太阳电池可以更好实现对太阳光的充分吸收，使电池的开路电压具有明显的提升。
常见的制备钙钛矿/晶硅叠层太阳电池采用的钙钛矿材料为CH3NH3PbX3(X＝Cl,I，Br)，此种材料虽然具有较高的光电转换效率，但是，由于其含有有机官能团，导致其化学和热稳定性差。CsMX3为一类全无机钙钛矿材料，具有与CH3NH3PbX3(X＝Cl,I，Br)相类似的结构，同时不含有有机官能团，其化学及热稳定性高。因此，全无机钙钛矿材料的使用有助于制备高效、稳定的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池。
通常，在硅基底太阳电池采用旋涂、刮涂以及采用丝网印刷等工艺制备钙钛矿太阳电池。但是，利用这些工艺得到的钙钛矿薄膜较为平整，很难得到仿形钙钛矿薄膜，这就破坏了硅金字塔绒面结构带来的高陷光增益，降低了叠层太阳能电池的光电转换效率。因此，提供一种制备仿形全无机钙钛矿薄膜的方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，该方法能够克服采用旋涂、刮涂以及采用丝网印刷等工艺破坏高陷光绒面结构的缺点，获得均匀的仿金字塔形全无机钙钛矿膜。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，包括以下步骤：
1)、在低压密闭容器中，将全无机钙钛矿粉末加热至显著气化状态，形成包含气相无机钙钛矿的微粒子束流；
2)、将具有金字塔形貌的基体放置于微粒子束流内距粒子源一定位置处，微粒子束流以一定角度施加到具有金字塔形貌的基体表面，通过调节压力使微粒子自由程大于金字塔平均特征高度的50％，利用微粒子束流内无机钙钛矿气相材料的非视线性输运、视线性沉积行为，获得均匀仿金字塔形全无机钙钛矿膜；
3)、仿金字塔形全无机钙钛矿膜进行快速干燥；
4)、钙钛矿膜的热处理：将经快速干燥处理的钙钛矿膜在200～600℃进行20～120min的退火处理，最后得到均匀致密全覆盖的仿金字塔形全无机钙钛矿膜。
进一步的，沉积全无机钙钛矿膜的同时对基体进行降温处理，基体温度保持在100℃或100℃以下。
进一步的，第2)步中，第1)步中，低压密闭容器中的压力为5～5000Pa；低压密闭容器中气氛为无法氧化全无机钙钛矿粉末的大气气氛或惰性气体气氛。
进一步的，第2)步中，微粒子束流中包含气相钙钛矿材料的原子、离子。
进一步的，第2)步中，将具有金字塔形貌的基体放置于微粒子束流内距粒子源一定位置处，具体为具有金字塔形貌的基体距离粒子源0.8～2m。
进一步的，第2)步中，微粒子束流施加到具有金字塔形貌基体表面的角度为0～180°。
进一步的，第2)步中，微粒子束流在基体表面的移动速度为0～1000mm/s。
进一步的，全无机钙钛矿粉末为CsMX3，其中M为Sn或Pb的一种或其组合，X为卤素元素；所述CsMX3粉末粒度分布为-20～+5μm。
进一步的，第4)步获得全无机钙钛矿膜厚度为100～500nm。
进一步的，第2)步中，金字塔形貌的基体中金字塔平均特征高度为1～12μm。
进一步地，金字塔绒面形貌的基底为硅金字塔绒面。
进一步地，金字塔绒面形貌的基底为涂覆有仿形空穴传输层的硅金字塔绒面、涂覆有仿形电子传输层的硅金字塔绒面、涂覆有仿形隧穿层的硅金字塔绒面。
相对于现有技术，本发明具有有益效果：采用本发明所述方法制备均匀无裸露的仿金字塔形全无机钙钛矿膜，能够克服采用旋涂、刮涂以及采用丝网印刷等工艺破坏高陷光绒面结构导致叠层电池效率降低的问题，获得高效率的全无机钙钛矿/晶硅叠层太阳电池。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。本发明并不限于这里所描述的特殊实例和实施方案。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，都落入本发明的保护范围。此外，下面所描述的本发明中各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
一步制备仿金字塔形CsPbI3全无机钙钛矿膜的方法，包括以下步骤：
1)、在压力为1000Pa的低压密闭容器中，将粒度分布为15～25μm的CsPbI3钙钛矿粉末加热至显著气化状态，形成包含气相CsPbI3钙钛矿的微粒子束流；
2)、将具有金字塔形貌的硅基体放置于微粒子束流内距粒子源2m处，微粒子束流以10～170°施加到具有金字塔形貌的基体上，微粒子束流在基体表面的移动速度为800mm/s，利用微粒子束流内CsPbI3材料的非视线性输运、视线性沉积行为，获得均匀仿金字塔形CsPbI3钙钛矿膜；同时，采用吹冷气使基体的温度保持在100℃。
3)、仿金字塔形全无机钙钛矿膜通过抽气或者加热3-5s，进行快速干燥；
4)、钙钛矿膜的热处理：将经快速干燥处理的钙钛矿膜在400℃进行40min的退火处理，最后得到厚度为200nm的均匀致密全覆盖的仿金字塔形CsPbI3钙钛矿膜。
实施例2
一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，包括以下步骤：
1)、在压力为4000Pa的低压密闭容器中，将粒度分布为15～25μm的CsSnI3钙钛矿粉末加热至显著气化状态，形成包含气相CsSnI3钙钛矿的微粒子束流；
2)、将具有金字塔形貌的硅基体放置于微粒子束流内距粒子源1m处，微粒子束流以10～170°施加到具有金字塔形貌的基体上，通过调节压力使微粒子自由程大于金字塔平均特征高度的50％，利用微粒子束流内CsSnI3材料的非视线性输运、视线性沉积行为，获得均匀仿金字塔形CsSnI3钙钛矿膜；同时，采用吹冷气使基体的温度保持在100℃。
3)、仿金字塔形全无机钙钛矿膜进行快速干燥；
4)、钙钛矿膜的热处理：将经快速干燥处理的钙钛矿膜在500℃进行20min的退火处理，最后得到厚度为100nm的均匀致密全覆盖的仿金字塔形CsSnI3钙钛矿膜。
实施例3
一步制备仿金字塔形CsPbI3全无机钙钛矿膜的方法，包括以下步骤：
1)、在压力为5Pa的低压密闭容器中，将粒度分布为15～25μm的CsPbI3钙钛矿粉末加热至显著气化状态，形成包含气相CsPbI3钙钛矿的微粒子束流；
2)、将具有金字塔形貌的硅基体放置于微粒子束流内距粒子源0.8m处，微粒子束流以30～120°施加到具有金字塔形貌的基体上，微粒子束流在基体表面的移动速度为100mm/s，利用微粒子束流内CsPbI3材料的非视线性输运、视线性沉积行为，获得均匀仿金字塔形CsPbI3钙钛矿膜；同时，采用吹冷气使基体的温度保持在100℃。
3)、仿金字塔形全无机钙钛矿膜进行快速干燥；
4)、钙钛矿膜的热处理：将经快速干燥处理的钙钛矿膜在400℃进行40min的退火处理，最后得到厚度为300nm的均匀致密全覆盖的仿金字塔形CsPbI3钙钛矿膜。
实施例4
一步制备仿金字塔形CsPbI3全无机钙钛矿膜的方法，包括以下步骤：
1)、在压力为5000Pa的低压密闭容器中，将粒度分布为15～25μm的CsPbI3钙钛矿粉末加热至显著气化状态，形成包含气相CsPbI3钙钛矿的微粒子束流；
2)、将具有金字塔形貌的硅基体放置于微粒子束流内距粒子源1.2m处，微粒子束流以10～170°施加到具有金字塔形貌的基体上，微粒子束流在基体表面的移动速度为1000mm/s，利用微粒子束流内CsPbI3材料的非视线性输运、视线性沉积行为，获得均匀仿金字塔形CsPbI3钙钛矿膜；同时，采用吹冷气使基体的温度保持在100℃。
3)、仿金字塔形全无机钙钛矿膜进行快速干燥；
4)、钙钛矿膜的热处理：将经快速干燥处理的钙钛矿膜在400℃进行40min的退火处理，最后得到厚度为500nm的均匀致密全覆盖的仿金字塔形CsPbI3钙钛矿膜。
上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不违背本发明一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、在低压密闭容器中，将全无机钙钛矿粉末加热至显著气化状态，形成包含气相无机钙钛矿的微粒子束流；
2)、将具有金字塔形貌的基体放置于微粒子束流内距粒子源一定位置处，微粒子束流以一定角度施加到具有金字塔形貌的基体表面，通过调节压力使微粒子自由程大于金字塔平均特征高度的50％，利用微粒子束流内无机钙钛矿气相材料的非视线性输运、视线性沉积行为，获得均匀仿金字塔形全无机钙钛矿膜；
3)、仿金字塔形全无机钙钛矿膜进行快速干燥；
4)、钙钛矿膜的热处理：将经快速干燥处理的钙钛矿膜在200～600℃进行20～120min的退火处理，最后得到均匀致密全覆盖的仿金字塔形全无机钙钛矿膜。
2.根据权利要求1所述的一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，其特征在于，第2)步中，沉积全无机钙钛矿膜的同时对基体进行降温处理，基体温度保持在100℃或100℃以下。
3.根据权利要求1所述的一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，其特征在于，第2)步中，第1)步中，低压密闭容器中的压力为5～5000Pa；低压密闭容器中气氛为无法氧化全无机钙钛矿粉末的大气气氛或惰性气体气氛。
4.根据权利要求1所述的一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，其特征在于，第2)步中，微粒子束流中包含气相钙钛矿材料的原子、离子。
5.根据权利要求1所述的一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，其特征在于，第2)步中，将具有金字塔形貌的基体放置于微粒子束流内距粒子源一定位置处，具体为具有金字塔形貌的基体距离粒子源0.8～2m。
6.根据权利要求1所述的一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，其特征在于，第2)步中，微粒子束流施加到具有金字塔形貌基体表面的角度为0～180°。
7.根据权利要求1所述的一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，其特征在于，第2)步中，微粒子束流在基体表面的移动速度为0～1000mm/s。
8.根据权利要求1所述的一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，其特征在于，全无机钙钛矿粉末为CsMX3，其中M为Sn或Pb的一种或其组合，X为卤素元素；所述CsMX3粉末粒度分布为-20～+5μm。
9.根据权利要求1所述的一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，其特征在于，第4)步获得全无机钙钛矿膜厚度为100～500nm。
10.根据权利要求1所述的一步制备仿金字塔形全无机钙钛矿膜的方法，其特征在于，第2)步中，金字塔形貌的基体中金字塔平均特征高度为1～12μm。
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2018
- 2018-11-26 CN CN201811420175.2A patent/CN109524294B/zh active Active
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