CN111341916A - 一种铟化物掺杂的钙钛矿薄膜、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能电池领域，公开了一种铟化物掺杂的钙钛矿薄膜、制备方法及其应用。所述的钙钛矿薄膜由钙钛矿前驱体溶液通过旋涂的方法制备而成，所述的钙钛矿前驱体溶液中添加有三碘化铟，进而减缓钙钛矿材料的结晶过程，从而获得晶粒更大、晶界更少的薄膜。本发明的制备方法简单，节约生产成本；同时，可以很好地改善钙钛矿薄膜的结晶情况，减少缺陷的产生，进而抑制载流子复合，有利于提高器件性能。另外，由于晶界的减少，外界水氧环境对于材料的分解减慢，能够有效促进薄膜与全无机钙钛矿太阳能电池器件稳定性的提升。

Description

一种铟化物掺杂的钙钛矿薄膜、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种铟化物掺杂的钙钛矿薄膜、制备方法及其应用。
背景技术
混合卤化铅钙钛矿因其低成本，窄带隙，易加工性以及在太阳能电池和发光二极管中的高效率而成为近年来最引人注目的材料之一。已经在相对短的十年内光伏器件功率转换效率（PCE）的实现了25.2％。然而，混合卤化钙钛矿铅材料在高温下容易分解限制了它们的潜在应用。 但是，由于无机钙钛矿材料具有良好的热稳定性，合适的带隙和出色的光电性能，因此已经成为混合卤化钙钛矿铅材料替代品。
目前，常用的制备钙钛矿太阳能电池的方法包括旋涂、化学气相沉积、喷墨印刷和热蒸发等， 虽然制备方法多种多样，但成本低且操作简单的一步旋涂法受到研究人员的更多关注。特别是对传统的平面异质结钙钛矿太阳能电池而言，该方法更易快速获得所需薄膜。然而，这种方法在退火过程中的快速结晶过程会导致晶核过快形成，从而最终的晶粒较小，晶界过于明显，进而导致在钙钛矿层内及表面处形成大量缺陷态，阻碍载流子的传输并引起不可避免的复合，另外，过多的晶界容易提供水氧活动空间，导致钙钛矿材料的分解。因此，钙钛矿材料的结晶情况对钙钛矿太阳能电池性能和稳定性起着不容忽视的作用。从而影响电池性能。然而，由于无机钙钛矿的容忍因子有缺陷，在常温且有水氧活动的环境下，无机钙钛矿很容易从黑相（α相）转变为黄相（δ相）。
发明内容
要解决的技术问题：传统钙钛矿太阳能电池在制备过程中采用的是一步旋涂法，该工艺在退火过程时的快速结晶，导致薄膜缺陷过多。本发明的目的在于提供一种铟化物掺杂的钙钛矿薄膜、制备方法及其应用，主要是将铟化物掺杂入钙钛矿薄膜中，从而减缓钙钛矿材料的成核生长过程，获得更高结晶质量的薄膜，进而提升器件性能。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种铟化物掺杂的钙钛矿薄膜，所述的钙钛矿薄膜由钙钛矿前驱体溶液通过旋涂的方法制备而成，所述的钙钛矿前驱体溶液中添加有三碘化铟。
进一步的，所述三碘化铟的浓度为0.5-1.2mg/mL。
本发明还提供了一种铟化物掺杂的钙钛矿薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤： 将三碘化铟加入钙钛矿前驱体溶液中，将其旋涂于基片上，旋涂结束后立即退火处理，得到铟化物掺杂的钙钛矿薄膜。
进一步的，所述的旋涂转速为3000r/min，旋涂时间为50s。
进一步的，所述退火处理条件为180℃退火10-12min。
本发明还提供了所述的钙钛矿薄膜在制备钙钛矿太阳能电池中的应用。
本发明所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法包括以下步骤：将FTO透明导电玻璃基片进行标准化清洗烘干后进行预处理；配制三碘化铟掺杂的钙钛矿前驱体溶液，于基片上沉积二氧化钛；将配制的钙钛矿前驱体溶液旋涂于沉积有二氧化钛的基片上制备成钙钛矿薄膜层；在所述的钙钛矿薄膜层上旋涂空穴传输层；在所述空穴传输层上蒸镀三氧化钼和电极。
有益效果：本发明提供了一种铟化物掺杂的钙钛矿薄膜、制备方法及其应用，以三碘化铟作为添加剂的钙钛矿薄膜，在退火时三碘化铟中的铟离子会部分取代铅离子，由于两者半径差别，使得钙钛矿结构更加稳定，通过这个取代过程，三碘化铟可以有效地减缓成核及生长速率，进而得到大晶粒，且晶界减少。避免了原本直接结晶时快速形成大量的晶核，最终生长为大量的小晶粒，不利于载流子的传输。另外，由于晶界的减少，钙钛矿薄膜中的缺陷也随之减少，由于缺陷引起的载流子复合率降低，成功地提升了器件效率。
附图说明
图1为本发明制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明制备的钙钛矿太阳能电池器件在光照强度为AM1.5G下的电流密度-电压曲线；
图3为本发明制备的钙钛矿薄膜的扫描电镜图像，（a）为对比例1，（b）为实施例2；
图4为本发明制备的钙钛矿薄膜的X射线衍射谱；
图5为本发明制备的钙钛矿薄膜的瞬态光致发光谱图。
具体实施方式
以下实施例中使用的FTO透明导电玻璃基片购自优选科技公司，CsI购自AlfaAesar Ltd公司，纯度大于99.999%。spiro-OMeTAD购自优选科技公司，HPbI3及三氧化钼购西安宝莱特公司。
实施例1
（1）将FTO用洗洁精、乙醇及丙酮各超声清洗两次，每次15分钟。随后放入烘箱中干燥以去除残余水分及有机溶剂；
（2）将HPbI3与CsI以1：1的摩尔比例混合，然后加入DMF溶剂，获得80wt%的无机钙钛矿前驱体溶液。另外，称量0.5mg的三碘化铟（InI3）加入到1mL无机钙钛矿前驱体溶液中，搅拌2-8小时，直至完全溶解即可使用。
（3）在FTO基片上倒入二氧化钛的冰水混合物，放入75℃烘箱里1小时，随后用氮气枪吹干基片并放入烘箱中干燥；
（4）臭氧30分钟，随后旋涂钙钛矿前驱体溶液，以3000r/min转速旋转50秒，待旋涂结束后，立即在180℃条件下退火11分钟，从而得到三碘化铟掺杂的钙钛矿薄膜；
（5）当基片冷却后，5000r/min转速将spiro-OMeTAD旋涂40秒。以上步骤均在手套箱内完成。
（6）将基片传入热蒸发仪中，蒸镀三氧化钼，其速率与厚度分别为0.2Å/s与10纳米；再以2 Å/s的速率蒸镀100纳米厚的银电极。
实施例2
（1）将FTO用洗洁精、乙醇及丙酮各超声清洗两次，每次15分钟。随后放入烘箱中干燥以去除残余水分及有机溶剂；
（2）将HPbI3与CsI以1：1的摩尔比例混合，然后加入DMF溶剂，获得80wt%的无机钙钛矿前驱体溶液。另外，称量1mg的三碘化铟（InI3）加入1mL无机钙钛矿前驱体溶液中，搅拌2-8小时，直至完全溶解即可使用；
（3）在FTO基片上倒入二氧化钛的冰水混合物，放入75℃烘箱里1小时，随后用氮气枪吹干基片并放入烘箱中干燥；
（4）臭氧30分钟，随后旋涂钙钛矿前驱体溶液，以3000r/min转速旋转50秒，待旋涂结束后，立即在180℃条件下退火11分钟，从而得到三碘化铟掺杂的钙钛矿薄膜；
（5）当基片冷却后，5000r/min转速将spiro-OMeTAD旋涂40秒。以上步骤均在手套箱内完成。
（6）将基片传入热蒸发仪中，蒸镀三氧化钼，其速率与厚度分别为0.2 Å/s与10纳米；再以2 Å/s的速率蒸镀100纳米厚的银电极。
实施例3
（1）将FTO用洗洁精、乙醇及丙酮各超声清洗两次，每次15分钟。随后放入烘箱中干燥以去除残余水分及有机溶剂；
（2）将HPbI3与CsI以1：1的比例混合，然后加入DMF溶剂，获得80wt%的无机钙钛矿前驱体溶液。另外，称量1.2mg的三碘化铟（InI3）加入1mL无机钙钛矿前驱体溶液中，搅拌2-8小时，直至完全溶解即可使用；
（3）在FTO基片上倒入二氧化钛的冰水混合物，放入75℃烘箱里1小时，随后用氮气枪吹干基片并放入烘箱中干燥；
（4）臭氧30分钟，随后旋涂钙钛矿前驱体溶液，以3000r/min转速旋转50秒，待旋涂结束后，立即在180℃条件下退火13分钟，从而得到三碘化铟掺杂的钙钛矿薄膜；
（5）当基片冷却后，5000r/min转速将spiro-OMeTAD旋涂40秒。以上步骤均在手套箱内完成。
（6）将基片传入热蒸发仪中，蒸镀三氧化钼，其速率与厚度分别为0.2 Å/s与10纳米；再以2 Å/s的速率蒸镀100纳米厚的银电极。
对比例1
（1）将FTO用洗洁精、乙醇及丙酮各超声清洗三次，每次15分钟。随后放入烘箱中干燥以去除残余水分及有机溶剂；
（2）将HPbI3与CsI以1：1的摩尔比例混合，然后加入DMF溶剂，获得80wt%的无机钙钛矿前驱体溶液。搅拌2-8小时，直至完全溶解即可使用；
（3）在FTO基片上倒入二氧化钛的冰水混合物，放入75℃烘箱里1小时，随后用氮气枪吹干基片并放入烘箱中干燥；
（4）臭氧30分钟，随后旋涂钙钛矿前驱体溶液，以3000r/min转速旋转50秒，待旋涂结束后，立即在180℃条件下退火10分钟，从而得到无机钙钛矿薄膜；
（5）当基片冷却后，5000r/min转速将spiro-OMeTAD旋涂40秒。以上步骤均在手套箱内完成。
（6）将基片传入热蒸发仪中，蒸镀三氧化钼，其速率与厚度分别为0.2 Å/s与10纳米；再以2 Å/s的速率蒸镀100纳米厚的银电极。
上述实施例和对比例的太阳能电池的性能如下表1所示：
表1
Figure 969777DEST_PATH_IMAGE001
从表1可以看出，加入三碘化铟的钙钛矿太阳能电池的光电转化效率比未掺杂的要高，其中，最高的光电转化效率能达到17.09%。图3和图4可以说明，掺杂三碘化铟制备的钙钛矿薄膜可以使晶粒尺寸变大，结晶强度变好其缺陷也变少。

Claims (7)

1.一种铟化物掺杂的钙钛矿薄膜，其特征在于，所述的钙钛矿薄膜由钙钛矿前驱体溶液通过旋涂的方法制备而成，所述的钙钛矿前驱体溶液中添加有三碘化铟。
2.根据权利要求1所述的一种铟化物掺杂的钙钛矿薄膜，其特征在于，所述三碘化铟的浓度为0.5-1.2mg/mL。
3. 一种铟化物掺杂的钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤： 将三碘化铟加入钙钛矿前驱体溶液中，将其旋涂于基片上，旋涂结束后立即退火处理，得到铟化物掺杂的钙钛矿薄膜。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的旋涂转速为3000r/min，旋涂时间为50s。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理条件为180℃退火10-12min。
6.权利要求1-2任一项所述的钙钛矿薄膜在制备钙钛矿太阳能电池中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法包括以下步骤：将FTO透明导电玻璃基片进行标准化清洗烘干后进行预处理；配制三碘化铟掺杂的钙钛矿前驱体溶液，于基片上沉积二氧化钛；将配制的钙钛矿前驱体溶液旋涂于沉积有二氧化钛的基片上制备成钙钛矿薄膜层；在所述的钙钛矿薄膜层上旋涂空穴传输层；在所述空穴传输层上蒸镀三氧化钼和电极。
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