CN109545975B - 绒面均匀钙钛矿膜的液膜抑爬原位冷冻升华析晶制备方法 - Google Patents

绒面均匀钙钛矿膜的液膜抑爬原位冷冻升华析晶制备方法 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抑爬原位冷冻升华析晶制备方法，包括以下步骤：第一步，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，形成仿形钙钛矿液膜；第二步，钙钛矿液膜的冷冻处理，使钙钛矿液膜冻结；第三步，钙钛矿液膜的抽气升华处理：第四步，钙钛矿薄膜的热处理：将经抽气处理的钙钛矿薄膜在70～150℃进行10～120min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒融合、长大，得到全覆盖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抑爬原位冷冻升华析晶制备方法
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，特别涉及一种钙钛矿膜的制备方法。
背景技术
太阳能电池作为一种可再生清洁能源技术，是解决人类社会发展面临的能源问题的重要途径之一。钙钛矿太阳能电池的光电转化效率在不到十年内以前所未有的速度从3.8％不断攀升到23％。同时，制备钙钛矿光伏电池所需工艺和设备简单低廉、可采用低温溶液法制备工艺、可利用丝网印刷及卷对卷工艺工业化生产等优点。上述优势使钙钛矿太阳能电池成为最具产业化潜力的新一代高效光伏技术，也是近年来国际学术界与产业界高度关注的焦点与前沿技术。截止2018年11月，得到认证的单结钙钛矿太阳能电池的最高效率已经达到23.4％。更高的光电转换效率始终是光伏电池技术发展的核心目标之一。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。
高效率商业化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没有覆盖液体，这将导致最终的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抑爬原位冷冻升华析晶制备方法，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抑爬原位冷冻升华析晶制备方法，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，形成仿形钙钛矿液膜；
第二步，钙钛矿液膜的冷冻处理：将温度低于钙钛矿液膜凝固点温度的气体或液体喷涂在涂覆仿形钙钛矿液膜的基底上，使钙钛矿液膜冻结；
第三步，钙钛矿液膜的抽气升华处理：在低于仿形钙钛矿液膜凝固点温度的环境中，将冻结的钙钛矿液膜转移入抽气干燥设备中进行真空抽气处理，使冻结的溶剂从固态直接升华为气态，得到均匀仿形的钙钛矿薄膜；
第四步，钙钛矿薄膜的热处理：将经抽气处理的钙钛矿薄膜在70～150℃进行10～120min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒融合、长大，得到全覆盖仿金字塔形的绒面均匀钙钛矿薄膜。
进一步的，所述真空抽气处理的压强为1000～3000Pa。
进一步的，所述的金字塔绒面形貌的基底为硅金字塔绒面。
进一步的，所述的金字塔绒面形貌的基底为沉积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，钙钛矿前驱体溶胶或溶液中溶质的化学通式为ABX3，其中A选自烷基胺、碱金属或其组合，B选自铅、锡或其组合，X选自Br、Cl、I或其组合。
进一步的，仿形钙钛矿液膜的厚度小于金字塔平均特征高度的60％。
进一步的，温度低于钙钛矿液膜凝固点温度的气体或液体为液氮或者液氩。
进一步的，真空抽气处理的时间小于或等于3s。涂覆完后，转移至抽气设备中耗时约5s以内，外加抽气干燥3s，总耗时约8s内。
进一步的，第二步中，在仿形钙钛矿液膜在绒面爬行使金字塔棱和角处液膜厚度降低至原始涂覆厚度的50～95％所对应的时间之内，将温度低于钙钛矿液膜凝固点温度的气体或液体喷涂在涂覆钙钛矿液膜的基底上，使钙钛矿液膜冻结。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明在仿形钙钛矿液膜在绒面爬行使金字塔棱和角处液膜厚度降低至原始涂覆厚度的50～95％所对应的时间之内，将温度低于钙钛矿液膜凝固点温度的气体或液体喷涂在涂覆钙钛矿液膜的基底上，使钙钛矿液膜冻结；然后进行生华和热处理，能够得到全覆盖仿金字塔形的绒面均匀钙钛矿薄膜；避免现有技术中，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没有覆盖液体的技术问题。
(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，可以采用溶液法在微米尺度起伏的金字塔绒面基底上制备出全覆盖均匀仿形钙钛矿薄膜，能够保持硅太阳能电池高效率的优势，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)本发明免去了硅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。
具体实施方式
下面结合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方法，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具有金字塔绒面形貌的硅太阳能电池上，形成一层淡黄色的厚度为2μm的均匀仿形钙钛矿液膜。仿形钙钛矿液膜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5-20μm；
(3)钙钛矿液膜的冷冻处理：将液氮喷涂在涂覆钙钛矿液膜的基底上，使钙钛矿液膜冻结；
(4)钙钛矿液膜的抽气升华处理：在3s内利用抽气-通气钙钛矿液膜快速干燥设备完成对钙钛矿液膜的干燥处理(真空抽气处理的压强为1000Pa)，从而获得厚度为400nm的均匀全覆盖仿金字塔形钙钛矿薄膜。
(5)钙钛矿薄膜的热处理：将经抽气-通气处理的钙钛矿薄膜在100℃进行20min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒长大，最后得到致密全覆盖的仿金字塔形的黑色绒面均匀钙钛矿薄膜。
实施例2
绒面均匀钙钛矿膜的制备方法，包括：
(1)钙钛矿前驱体溶胶的配制：以DMSO为溶剂，PbI2和CH3NH3I为溶质，配制钙钛矿溶胶，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具有金字塔绒面形貌的硅太阳能电池上，形成一层淡黄色的厚度为0.5μm的均匀仿形钙钛矿液膜。
(3)钙钛矿液膜的冷冻处理：将液氩喷涂在涂覆钙钛矿液膜的基底上，使钙钛矿液膜冻结；
(4)钙钛矿液膜的抽气升华处理：在3s内利用抽气-通气钙钛矿液膜快速干燥设备完成对钙钛矿液膜的干燥处理(真空抽气处理的压强为2200Pa)，从而获得厚度为100nm的均匀全覆盖仿金字塔形钙钛矿薄膜。
(5)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150℃进行100min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒长大，最后得到致密全覆盖的仿金字塔形的黑色绒面均匀钙钛矿薄膜。
实施例3
绒面均匀钙钛矿膜的制备方法，包括：
(1)钙钛矿前驱体溶胶的配制：以DMSO为溶剂，PbI2和CH3NH3I为溶质，配制钙钛矿溶胶，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具有金字塔绒面形貌的硅太阳能电池上，形成一层淡黄色的厚度为0.5μm的均匀仿形钙钛矿液膜。
(3)钙钛矿液膜的冷冻处理：将液氩喷涂在涂覆钙钛矿液膜的基底上，使钙钛矿液膜冻结；
(4)钙钛矿液膜的抽气升华处理：在3s内利用抽气-通气钙钛矿液膜快速干燥设备完成对钙钛矿液膜的干燥处理(真空抽气处理的压强为3000Pa)，从而获得厚度为100nm的均匀全覆盖仿金字塔形钙钛矿薄膜。
(5)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70℃进行120min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒长大，最后得到致密全覆盖的仿金字塔形的黑色绒面均匀钙钛矿薄膜。
实施例4
绒面均匀钙钛矿膜的制备方法，包括：
(1)钙钛矿前驱体溶胶的配制：以DMSO为溶剂，PbI2和CH3NH3I为溶质，配制钙钛矿溶胶，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具有金字塔绒面形貌的硅太阳能电池上，形成一层淡黄色的厚度为0.5μm的均匀仿形钙钛矿液膜。
(3)钙钛矿液膜的冷冻处理：将液氩喷涂在涂覆钙钛矿液膜的基底上，使钙钛矿液膜冻结；
(4)钙钛矿液膜的抽气升华处理：在3s内利用抽气-通气钙钛矿液膜快速干燥设备完成对钙钛矿液膜的干燥处理(真空抽气处理的压强为2400Pa)，从而获得厚度为100nm的均匀全覆盖仿金字塔形钙钛矿薄膜。
(5)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150℃进行90min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒长大，最后得到致密全覆盖的仿金字塔形的黑色绒面均匀钙钛矿薄膜。
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 (8)

1.绒面均匀钙钛矿膜的液膜抑爬原位冷冻升华析晶制备方法，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，形成仿形钙钛矿液膜；
第二步，钙钛矿液膜的冷冻处理：将温度低于钙钛矿液膜凝固点温度的气体或液体喷涂在涂覆仿形钙钛矿液膜的基底上，使钙钛矿液膜冻结；
第三步，钙钛矿液膜的抽气升华处理：在低于仿形钙钛矿液膜凝固点温度的环境中，将冻结的钙钛矿液膜转移入抽气干燥设备中进行真空抽气处理，使冻结的溶剂从固态直接升华为气态，得到均匀仿形的钙钛矿薄膜；
第四步，钙钛矿薄膜的热处理：将经抽气处理的钙钛矿薄膜在70～150℃进行10～120min的退火处理，去除残余溶剂并使晶粒融合、长大，得到全覆盖仿金字塔形的绒面均匀钙钛矿薄膜；
第二步中，在仿形钙钛矿液膜在绒面爬行使金字塔棱和角处液膜厚度降低至原始涂覆厚度的50～95％所对应的时间之内，将温度低于钙钛矿液膜凝固点温度的气体或液体喷涂在涂覆钙钛矿液膜的基底上，使钙钛矿液膜冻结。
2.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜抑爬原位冷冻升华析晶制备方法，其特征在于，所述真空抽气处理的压强为1000～3000Pa。
3.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜抑爬原位冷冻升华析晶制备方法，其特征在于，所述的金字塔绒面形貌的基底为硅金字塔绒面。
4.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜抑爬原位冷冻升华析晶制备方法，其特征在于，所述的金字塔绒面形貌的基底为沉积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。
5.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜抑爬原位冷冻升华析晶制备方法，其特征在于，钙钛矿前驱体溶胶或溶液中溶质的化学通式为ABX3，其中A选自烷基胺、碱金属或其组合，B选自铅、锡或其组合，X选自Br、Cl、I或其组合。
6.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜抑爬原位冷冻升华析晶制备方法，其特征在于，仿形钙钛矿液膜的厚度小于金字塔平均特征高度的60％。
7.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜抑爬原位冷冻升华析晶制备方法，其特征在于，温度低于钙钛矿液膜凝固点温度的液体为液氮或者液氩。
8.根据权利要求1所述的绒面均匀钙钛矿膜的液膜抑爬原位冷冻升华析晶制备方法，其特征在于，真空抽气处理的时间小于或等于3s。
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