CN109524553B - 绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法 - Google Patents

绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，包括：第一步，钙钛矿液膜的均匀涂覆：将钙钛矿前驱体溶胶或溶液涂覆在具有金字塔绒面形貌的基底上，形成一层均匀仿形钙钛矿液膜；第二步，钙钛矿液膜的抽气干燥处理：快速完成对钙钛矿液膜的抽气干燥处理，从而获得均匀全覆盖仿金字塔形钙钛矿薄膜；第三步，钙钛矿薄膜的热处理：将经抽气干燥处理的钙钛矿薄膜退火处理，去除残余溶剂并使晶粒长大，最后得到仿金字塔形的绒面均匀钙钛矿薄膜。本发明在不对硅金字塔绒面进行抛光磨平处理的条件下，采用溶液沉积法实现了在微米尺度起伏的金字塔绒面基底上全覆盖均匀仿形钙钛矿薄膜的制备，保持了硅太阳能电池高效率的优势。

Description

绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法
技术领域
本发明属于硅-钙钛矿叠层太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种全覆盖的仿金字塔形钙钛矿薄膜的制备方法。
背景技术
以CH3NH3PbX3(X＝I、Br、Cl)为吸光层的钙钛矿太阳能电池因其光电转化效率高、可低成本溶液法规模化制造、制备工艺和设备简单低廉等优点受到了全世界科学家与产业界人士的广泛关注。自2009年首次以3.8％的光电转化效率出现后，其效率在随后短短九年里以前所未有的速度不断攀升，截止2018年11月得到认证的最高效率达到了23.4％。然而单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率无法超过肖克利-奎伊瑟极限理论效率。多结太阳能电池，即叠层电池由具有不同带隙的太阳能子电池组成，是一种成熟有效的突破肖克利-奎伊瑟极限理论效率的方式，已经广泛应用于传统的硅、砷化镓太阳能电池。硅太阳能电池是目前占据市场份额最大的主流光伏技术。单晶硅的带隙约为1.1eV，是理想的窄带隙子电池。有机无机杂化钙钛矿材料及全无机钙钛矿材料具有带隙连续可调(1.25～2.0eV)的特点。基于上述特点，硅/钙钛矿叠层光伏电池技术成为了实现超高效、低成本光伏发电技术的重大课题之一。
商业化高效硅太阳能电池通常采用金字塔绒面陷光结构。硅金字塔绒面起伏高度通常在1～20μm，它能够有效增加光俘获能力，从而提高电池的短路电流密度。然而，在这种复杂的表面纹理结构难以沉积厚度均匀的钙钛矿膜。以溶液法沉积厚度小于1μm的钙钛矿薄膜时，溶液在“金字塔”之间的谷中积聚，使得金字塔的塔尖上无法覆盖液体，这将导致钙钛矿薄膜无法完全覆盖金字塔的顶角及棱。这种现象将导致电池短路，进而降低钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的光电转换效率。为了避免这一问题，现有技术对硅电池的金字塔绒面进行了抛光磨平处理。然而，与具有金字塔绒面陷光结构的硅电池相比，硅太阳能电池抛光后的光电转换效率会降低至原始值的约50％。因此，这一技术方案存在如下不足：第一，对硅金字塔绒面进行抛光磨平处理大幅降低了硅太阳能电池的光电转换效率；第二，增加的抛光磨平处理提高了叠层太阳能电池的生产成本，增加了工序和时间，降低了生产效率。因此，如何在微米尺度起伏的金字塔绒面基底上制备全覆盖均匀仿形钙钛矿薄膜成为实现高效率低成本硅/钙钛矿两端叠层光伏电池技术的核心难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，包括以下步骤：
第一步，钙钛矿液膜的均匀涂覆：将钙钛矿前驱体溶胶或溶液涂覆在具有金字塔绒面形貌的基底上，形成一层厚度小于金字塔平均特征高度的60％的均匀仿形钙钛矿液膜；
第二步，钙钛矿液膜的抽气干燥处理：快速完成对钙钛矿液膜的抽气干燥处理，从而获得均匀全覆盖仿金字塔形钙钛矿薄膜；
第三步，钙钛矿薄膜的热处理：将经抽气干燥处理的钙钛矿薄膜在70～150℃进行10～200min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒长大，最后得到仿金字塔形的绒面均匀钙钛矿薄膜。
进一步的，第二步具体在金字塔棱角处局部外法向固相和液相中溶质的总量与设计量之比不低于棱角处局部外法向钙钛矿薄膜能够承受最小厚度与设计厚度之比前，完成对钙钛矿液膜的抽气干燥处理。设计厚度是不低于50nm；能承受的最小厚度与设计厚度之比不低于10％；
进一步的，所述固相和液相中溶质的总量包括已形核结晶的固相钙钛矿和液相中尚未结晶的钙钛矿。
进一步的，所述已形核结晶的固相钙钛矿包括固相钙钛矿和以络合物形式存在的钙钛矿。
进一步的，第二步中，抽气干燥处理的气压为500～2500Pa。将液膜放置到低压真空环境，这样液膜会从液态转速转变为气态，在抽气作用下，快速挥发，从而实现液膜的干燥。
进一步的，所述金字塔绒面为硅金字塔绒面。
进一步的，所述金字塔绒面为：涂覆有仿形隧穿层的硅金字塔绒面、涂覆有仿形空穴传输层的硅金字塔绒面或涂覆有仿形电子传输层的硅金字塔绒面。
进一步的，所述钙钛矿液膜的溶质的化学通式为ABX3，其中A选自烷基胺、碱金属或其组合，B选自铅、锡或组合，X选自Br、Cl、I或其组合。
进一步的，所述绒面均匀钙钛矿薄膜全覆盖金字塔绒面。
进一步的，所述快速指，第一步涂覆完成后，10s内完成对钙钛矿液膜的抽气干燥处理。涂覆完后，转移至抽气设备中耗时约5s以内，外加抽气干燥5s，总耗时约10s内。
进一步的，抽气时溶剂的快速蒸发使得液膜温度降低，起到增加液膜黏度，减缓液膜爬行速度的作用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明在金字塔绒面上涂覆一层均匀仿形钙钛矿液膜，再利用快速抽气干燥法，让溶剂快速蒸发(5s内)，这样就在液膜从塔尖流动至谷底前完成了液膜的固化，实现了固态薄膜的全覆盖。
(2)本发明在不对硅金字塔绒面进行抛光磨平处理的条件下，可以采用溶液沉积法实现微米尺度起伏的金字塔绒面基底上全覆盖均匀仿形钙钛矿薄膜的制备，能够保持硅太阳能电池高效率的优势，有助于实现光电转换效率大于35％的硅-钙钛矿两端叠层太阳能电池技术；
(3)本发明省去了对硅太阳能电池金字塔绒面的抛光磨平处理，降低了硅-钙钛矿叠层太阳能电池的生产成本，减少了时间的浪费，提高了实际生产速度。
附图说明
图1为本发明实施例1绒面均匀钙钛矿膜的制备过程示意图。
其中，1是钙钛矿液膜；2是硅金字塔绒面；3是晶硅太阳能电池；4是通气-抽气钙钛矿液膜快速干燥设备；5是钙钛矿薄膜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明实施方法作进一步说明。
实施例1
绒面均匀钙钛矿膜的制备过程，包括：
(1)钙钛矿前驱体溶胶的配制：以DMF为溶剂，PbI2和CH3NH3I为溶质，配制钙钛矿前驱体溶胶，钙钛矿溶胶中CH3NH3PbI3的质量百分浓度为35％。
(2)钙钛矿液膜的均匀涂覆：采用软毛刷涂覆的方式将钙钛矿前驱体溶胶涂覆在晶硅太阳能电池3的硅金字塔绒面2上，形成一层淡黄色的厚度为2μm的均匀仿形钙钛矿液膜1；仿形钙钛矿液膜1的厚度小于金字塔平均特征高度的60％；金字塔平均特征高度范围为5-20微米；
(3)钙钛矿液膜的抽气干燥处理：在通气-抽气钙钛矿液膜快速干燥设备4内，5s利用抽气法完成对钙钛矿液膜1的干燥处理(抽气腔气压：1500Pa，抽气时长：5s)，从而获得厚度为400nm的均匀全覆盖仿金字塔形钙钛矿薄膜；
(4)钙钛矿薄膜的热处理：将经抽气干燥处理的钙钛矿薄膜在80℃进行20min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒长大，最后得到均匀致密全覆盖的仿金字塔形黑色绒面均匀钙钛矿薄膜5。
实施例2
绒面均匀钙钛矿膜的制备过程，包括：
(1)钙钛矿前驱体溶胶的配制：以DMSO为溶剂，PbI2和FAI为溶质，配制钙钛矿溶胶，钙钛矿溶胶中FAPbI3的质量百分浓度为35％。
(2)钙钛矿液膜的均匀涂覆：采用狭缝涂布的方式将钙钛矿前驱体溶胶涂覆在晶硅太阳能电池3的硅金字塔绒面2上，形成一层淡黄色的厚度为2μm的均匀仿形钙钛矿液膜1；仿形钙钛矿液膜1的厚度小于金字塔平均特征高度的60％；
(3)钙钛矿液膜的抽气干燥处理：在5s内利用抽气法完成对钙钛矿液膜的干燥处理(抽气腔气压：1200Pa，抽气时长：5s)，从而获得厚度为200nm的均匀全覆盖仿金字塔形钙钛矿薄膜；
(4)钙钛矿薄膜的热处理：将经抽气干燥处理的钙钛矿薄膜在120℃进行60min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒长大，最后得到均匀致密全覆盖的仿金字塔形黑色绒面均匀钙钛矿薄膜5。
实施例3
绒面均匀钙钛矿膜的制备过程，包括：
(1)钙钛矿前驱体溶胶的配制：以GBL为溶剂，PbI2和FAI为溶质，配制钙钛矿溶胶，钙钛矿溶胶中FAPbI3的质量百分浓度为35％。
(2)钙钛矿液膜的均匀涂覆：采用狭缝涂布的方式将钙钛矿前驱体溶胶涂覆在晶硅太阳能电池3的硅金字塔绒面2上，形成一层淡黄色的厚度为1μm的均匀仿形钙钛矿液膜1；仿形钙钛矿液膜1的厚度小于金字塔平均特征高度的60％；
(3)钙钛矿液膜的抽气干燥处理：在5s内利用抽气法完成对钙钛矿液膜的干燥处理(抽气腔气压：500Pa，抽气时长：5s)，从而获得厚度为100nm的均匀全覆盖仿金字塔形钙钛矿薄膜；
(4)钙钛矿薄膜的热处理：将经抽气-通气干燥处理的钙钛矿薄膜在120℃进行150min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒长大，最后得到均匀致密全覆盖的仿金字塔形黑色绒面均匀钙钛矿薄膜5。
实施例4
绒面均匀钙钛矿膜的制备过程，包括：
(1)钙钛矿前驱体溶胶的配制：以DMF为溶剂，PbI2和CH3NH3I为溶质，配制钙钛矿前驱体溶胶，钙钛矿溶胶中CH3NH3PbI3的质量百分浓度为35％。
(2)钙钛矿液膜的均匀涂覆：采用软毛刷涂覆的方式将钙钛矿前驱体溶胶涂覆在晶硅太阳能电池3的硅金字塔绒面2上，形成一层淡黄色的厚度为2μm的均匀仿形钙钛矿液膜1；仿形钙钛矿液膜1的厚度小于金字塔平均特征高度的60％；
(3)钙钛矿液膜的抽气干燥处理：在通气-抽气钙钛矿液膜快速干燥设备4内，5s利用抽气法完成对钙钛矿液膜1的干燥处理(抽气腔气压：2500Pa，抽气时长：5s)，从而获得厚度为400nm的均匀全覆盖仿金字塔形钙钛矿薄膜；
(4)钙钛矿薄膜的热处理：将经抽气干燥处理的钙钛矿薄膜在150℃进行200min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒长大，最后得到均匀致密全覆盖的仿金字塔形黑色绒面均匀钙钛矿薄膜5。
综上所述，以上仅为本发明的最佳实施例而已，凡是依本发明权利要求书和说明书所作的等效修改，均属于本发明专利涵盖的范围。

Claims (9)

1.绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，钙钛矿液膜的均匀涂覆：将钙钛矿前驱体溶胶或溶液涂覆在具有金字塔绒面形貌的基底上，形成一层厚度小于金字塔平均特征高度的60％的均匀仿形钙钛矿液膜；
第二步，钙钛矿液膜的抽气干燥处理：快速完成对钙钛矿液膜的抽气干燥处理，从而获得均匀全覆盖仿金字塔形钙钛矿薄膜；
第三步，钙钛矿薄膜的热处理：将经抽气干燥处理的钙钛矿薄膜在70～150℃进行10～200min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒长大，最后得到仿金字塔形的绒面均匀钙钛矿薄膜；
第二步具体在金字塔棱角处局部外法向固相和液相中溶质的总量与设计量之比不低于棱角处局部外法向钙钛矿薄膜能够承受最小厚度与设计厚度之比前，完成对钙钛矿液膜的抽气干燥处理；
金字塔平均特征高度范围为5-20微米。
2.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，其特征在于：所述固相和液相中溶质的总量包括已形核结晶的固相钙钛矿和液相中尚未结晶的钙钛矿。
3.根据权利要求2所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，其特征在于：所述已形核结晶的固相钙钛矿包括固相钙钛矿和以络合物形式存在的钙钛矿。
4.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，其特征在于：第二步中，抽气干燥处理的气压为500～2500Pa。
5.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，其特征在于：所述金字塔绒面为硅金字塔绒面。
6.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，其特征在于：所述金字塔绒面为：涂覆有仿形隧穿层的硅金字塔绒面、涂覆有仿形空穴传输层的硅金字塔绒面或涂覆有仿形电子传输层的硅金字塔绒面。
7.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，其特征在于：所述钙钛矿液膜的溶质的化学通式为ABX3，其中A选自烷基胺、碱金属或其组合，B选自铅、锡或组合，X选自Br、Cl、I或其组合。
8.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，其特征在于：所述绒面均匀钙钛矿薄膜全覆盖金字塔绒面。
9.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法，其特征在于：所述快速指，第一步涂覆完成后，10s内完成对钙钛矿液膜的抽气干燥处理。
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