CN110797462A - 钙钛矿薄片的制作方法、单晶钙钛矿电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿薄片的制作方法、单晶钙钛矿电池的制备方法。所述钙钛矿薄片的制作方法包括：在钙钛矿晶粒表面设置保护层，之后再对所述的钙钛矿晶粒进行切片，进而获得所述的钙钛矿薄片。本发明使用树脂包裹大晶粒钙钛矿颗粒进行切片，能够避免在切割钙钛矿颗粒时钙钛矿被破坏，且采用本发明的方法更容易切割成完整薄片；以及，采用真空沉积法在大尺寸单晶钙钛矿上制备传输层、电极，不会破坏钙钛矿，其操作工艺简单、不会降低电池的光电转换效率。

Description

钙钛矿薄片的制作方法、单晶钙钛矿电池的制备方法
技术领域
本发明特别涉及一种钙钛矿薄片的制作方法、单晶钙钛矿电池的制备方法，属于钙钛矿电池制备技术领域。
背景技术
石油、煤炭、天然气等非可再生能源，储量有限、开发成本高且使用过程中容易造成环境污染等问题，开发清洁可再生能源受到广泛的关注，太阳能电池作为地球上总量最大的可再生能源，成为许多人研究的对象。钙钛矿有较宽的吸光范围、高吸光系数、高载流子迁移率、长电子-空穴扩散距离，并且可以通过调节材料的组分来调节其带隙宽度。此外，钙钛矿电池的结构简单、制备工艺简单、价格便宜，光电转化效率超过23％，具有很大的产业化前景。钙钛矿薄膜的成膜质量会影响电池的效率、稳定性及大面积的应用，目前钙钛矿层主要采用旋涂法、刮涂法或喷涂法制备，以期获得平整致密的多晶薄膜，但钙钛矿薄膜的成膜质量受原料纯度、结晶工艺等因素影响，控制过程较为复杂，难以避免厚度不均一、晶粒大小不一致、孔洞等影响多晶薄膜质量的问题。
大尺寸钙钛矿单晶的制备技术日益成熟，目前已有文献报道可制备10cm尺寸的钙钛矿单晶。利用单晶切片技术，可以获得钙钛矿单晶薄膜，其光电性能优于多晶薄膜，在其基础上制备的钙钛矿太阳能电池具有更高的光电转化效率和稳定性。但是钙钛矿质地不够坚硬、不耐高温、遇水容易分解，很难在大尺寸单晶钙钛矿两侧制备传输层，并且获得高的光电转化效率。另，还有文献报道公开了在玻璃狭缝中直接生长钙钛矿单晶薄膜的技术方案，但此法制备的单晶薄膜厚度较厚，且制备效率较低。
在钙钛矿电池的制备过程中，钙钛矿薄膜不耐高温，遇水容易分解，不易制备成高效、稳定的电池器件；其中，多晶钙钛矿薄膜的粗糙度、成分分布、孔洞等难以有效控制，并且多晶钙钛矿晶粒小、晶界多，易产生载流子复合，降低器件的性能；单晶钙钛矿不够坚硬、耐冲击性差，不易切割成薄膜，切割形成的微米及以下精度的薄片的工艺复杂并且难以实现，而钙钛矿薄膜过厚会影响光电传输层的载流子传输。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种钙钛矿薄片的制作方法、单晶钙钛矿电池的制备方法，进而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种钙钛矿薄片的制作方法，其包括：在钙钛矿晶粒表面设置保护层，之后再对所述的钙钛矿晶粒进行切片，进而获得所述的钙钛矿薄片。
本发明实施例还提供了一种单晶钙钛矿电池的制备方法，其包括：
采用所述的钙钛矿薄片的制作方法制作形成单晶钙钛矿薄片；
采用电子束沉积的方式在单晶钙钛矿薄片相背对的两侧表面分别制作形成电子传输层和空穴传输层；
采用离子束沉积的方式在所述的电子传输层和/或空穴传输层的表面制作形成透明金属电极，进而形成所述的单晶钙钛矿电池。
与现有技术相比，本发明使用树脂包裹大尺寸钙钛矿晶粒进行切片，能够避免钙钛矿薄片的表面被破坏、污染，影响载流子运输；并且可以固定钙钛矿晶粒，防止钙钛矿晶粒破裂；以及，采用本发明的方法更容易切割成完整薄片；另外，采用真空沉积的方式在大尺寸单晶钙钛矿薄片上制备传输层、电极，不会破坏钙钛矿，其操作工艺更加简单且不会降低电池的光电转换效率。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例中一种钙钛矿电池的结构示意图；
图2是本发明一典型实施案例中一种钙钛矿电池的剖面结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种钙钛矿薄片的制作方法，其包括：在钙钛矿晶粒表面设置保护层，之后再对所述的钙钛矿晶粒进行切片，进而获得所述的钙钛矿薄片。
进一步的，所述保护层的材质包括树脂，但不限于此。
进一步的，所述保护层完全包裹所述的钙钛矿晶粒，所述保护层的厚度为0.5μm-10cm。
进一步的，所述钙钛矿晶粒为钙钛矿单晶，所述的钙钛矿薄片为单晶钙钛矿薄片。
进一步的，所述的钙钛矿薄片的面积为
Figure BDA0002262414990000031
进一步的，所述的钙钛矿薄片的厚度为0.5-10μm。
本发明实施例还提供了一种单晶钙钛矿电池的制备方法，其包括：
采用所述的钙钛矿薄片的制作方法制作形成单晶钙钛矿薄片；
在所述的单晶钙钛矿薄片相背对的两侧表面分别制作电子传输层、空穴传输层，以及，采用离子束沉积的方式分别在所述的电子传输层和空穴传输层的表面制作透明金属电极。
进一步的，所述单晶钙钛矿电池的制备方法包括：采用电子束沉积的方式制作所述的电子传输层和空穴传输层。
进一步的，所述单晶钙钛矿电池的制备方法包括：采用所述的钙钛矿薄片的制作方法制作形成所述的单晶钙钛矿薄片。
进一步的，所述的电子传输层和空穴传输层的材质包括氧化镍、氧化锌、氧化锡、氧化钛中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步的，所述透明金属电极的材质包括ITO、IWO、FTO中的任意一种，但不限于此。
进一步的，所述单晶钙钛矿电池的制备方法还包括：采用封装层材料对所述的单晶钙钛矿电池进行封装。
优选的，所述的封装材料包括紫外光固化胶。
本发明实施例提供了一种单晶钙钛矿电池的制备方法，其包括：
1)先用树脂将钙钛矿晶粒包裹住，之后对所述的钙钛矿晶粒进行切片形成单晶钙钛矿薄片；采用树脂包裹所述的钙钛矿晶粒可以防止钙钛矿晶粒被破坏，以及，钙钛矿晶粒的硬度不够，需要用树脂固定，切片形成的单晶钙钛矿薄片的厚度为0.5-10μm，因钙钛矿具有极长的载流子传输距离，因此采用树脂包裹不会影响钙钛矿的效率；
2)采用真空沉积的方式在单晶钙钛矿薄片相背对的两侧表面分别制作形成电子传输层和空穴传输层；
3)分别在所述的电子传输层和空穴传输层的表面制作形成透明金属电极，进而形成所述的单晶钙钛矿电池；
4)采用紫外光固化胶对所述的单晶钙钛矿电池进行封装，以延长钙钛矿电池的使用寿命。
基由所述的制备方法形成的单晶钙钛矿电池的结构如图1和2所示，其包括依次叠层设置的透明金属电极5、电子传输层3、钙钛矿层1、空穴传输层2和透明金属电极4。
实施例1
一种单晶钙钛矿电池的制备方法，包括如下步骤：
1)采用如冷却结晶法、蒸发结晶法或者真空冷却结晶法等结晶方式重结晶生长形成大晶粒的单晶钙钛矿晶粒，例如，该大晶粒的单晶钙钛矿晶粒的尺寸为0.5-50cm；
2)采用树脂将所述的钙钛矿晶粒完全包裹住，并采用多线切割的方法对大晶粒的单晶钙钛矿晶粒进行切片形成单晶钙钛矿薄片，该单晶钙钛矿薄片的厚度为0.5-10μm，由于钙钛矿具有极长的载流子传输距离，因此不会影响钙钛矿的效率；
3)采用电子束沉积的方式在单晶钙钛矿薄片相背对的两侧表面分别制作形成电子传输层和空穴传输层；
4)采用离子束沉积的方式在所述的电子传输层和/或空穴传输层的表面制作形成透明金属电极，进而形成所述的单晶钙钛矿电池；
5)采用紫外光固化胶对所述的单晶钙钛矿电池进行封装。
其中，树脂覆盖在钙钛矿晶粒表面进行切割，切割形成单晶钙钛矿薄片后，位于单晶钙钛矿薄片边缘的树脂可以除去或保留。
对比例1
一种单晶钙钛矿电池的制备方法，包括如下步骤：
1)采用如冷却结晶法、蒸发结晶法或者真空冷却结晶法等结晶方式重结晶生长形成大晶粒的单晶钙钛矿晶粒，
2)采用夹具将所述的钙钛矿晶粒包裹住，并采用多线切割的方法对大晶粒的单晶钙钛矿晶粒进行切片形成单晶钙钛矿薄片，因钙钛矿晶粒不规则，会有一部分钙钛矿晶粒被浪费、表面损坏。
3)采用电子束沉积的方式在单晶钙钛矿薄片相背对的两侧表面分别制作形成电子传输层和空穴传输层；
4)采用离子束沉积的方式在所述的电子传输层和/或空穴传输层的表面制作形成透明金属电极，进而形成所述的单晶钙钛矿电池；
5)采用紫外光固化胶对所述的单晶钙钛矿电池进行封装。
对比例2
一种单晶钙钛矿电池的制备方法，包括如下步骤：
1)采用如冷却结晶法、蒸发结晶法或者真空冷却结晶法等结晶方式重结晶生长形成大晶粒的单晶钙钛矿晶粒，
2)采用树脂将所述的钙钛矿晶粒包裹住，并采用多线切割的方法对大晶粒的单晶钙钛矿晶粒进行切片形成单晶钙钛矿薄片，单晶钙钛矿薄片的厚度为0.5-10μm，由于钙钛矿具有极长的载流子传输距离，因此不会影响钙钛矿的效率；
3)采用旋涂的方式在单晶钙钛矿薄片相背对的两侧表面分别制作形成电子传输层和空穴传输层；
4)采用离子束沉积的方式在所述的电子传输层和/或空穴传输层的表面制作形成透明金属电极，进而形成所述的单晶钙钛矿电池；
5)采用紫外光固化胶对所述的单晶钙钛矿电池进行封装。
分别对实施例1和对比例1和对比例2获得的单晶钙钛矿电池的光电转化效率和稳定性进行测试，测试结果显示：实施例1获得的光电转化效率为7％，在氮气手套箱保存10天后，光电转化效率变化未超过3％。对比例1获得的单晶钙钛矿电池和实施例1中单晶钙钛矿电池的电池效率基本相同，但是钙钛矿的利用率低；对比例2获得的单晶钙钛矿电池几乎没有光电转化效率。其中，该测试结果为采用本领域技术人员已知的测试方法和测试设备获得，在此不再赘述。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钙钛矿薄片的制作方法，其特征在于包括：在钙钛矿晶粒表面设置保护层，之后再对所述的钙钛矿晶粒进行切片，进而获得所述的钙钛矿薄片。
2.根据权利要求1所述钙钛矿薄片的制作方法，其特征在于：所述保护层完全包裹所述的钙钛矿晶粒，所述保护层的材质包括树脂；和/或，所述保护层的厚度为0.5μm-10cm。
3.根据权利要求1所述钙钛矿薄片的制作方法，其特征在于：所述钙钛矿晶粒为钙钛矿单晶，所述的钙钛矿薄片为单晶钙钛矿薄片。
4.根据权利要求1所述钙钛矿薄片的制作方法，其特征在于：所述的钙钛矿薄片的面积为
Figure FDA0002262414980000011
5.根据权利要求1所述钙钛矿薄片的制作方法，其特征在于：所述的钙钛矿薄片的厚度为0.5-10μm。
6.一种单晶钙钛矿电池的制备方法，其特征在于包括：
采用权利要求1-5中任一项所述的钙钛矿薄片的制作方法制作形成单晶钙钛矿薄片；
在所述的单晶钙钛矿薄片相背对的两侧表面分别制作电子传输层、空穴传输层，以及，分别在所述的电子传输层和空穴传输层的表面制作透明金属电极。
7.根据权利要求6所述单晶钙钛矿电池的制备方法，其特征在于包括:采用电子束沉积的方式制作所述的电子传输层和空穴传输层。
8.根据权利要求6所述单晶钙钛矿电池的制备方法，其特征在于：所述电子传输层和空穴传输层的材质包括氧化镍、氧化锌、氧化锡、氧化钛中的任意一种或两种以上的组合。
9.根据权利要求6所述单晶钙钛矿电池的制备方法，其特征在于：所述透明金属电极的材质包括ITO、IWO、FTO中的任意一种。
10.根据权利要求6所述单晶钙钛矿电池的制备方法，其特征在于还包括：采用封装层材料对所述的单晶钙钛矿电池进行封装；优选的，所述的封装材料包括紫外光固化胶。
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