CN112928214A - 钙钛矿层的形成方法以及包含钙钛矿层的结构的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种钙钛矿层的形成方法以及包含钙钛矿层的结构的形成方法。所述钙钛矿层的形成方法包括以下步骤：在基板上涂布钙钛矿前驱物材料；对所述基板进行加热处理；以及对所述钙钛矿前驱物材料进行红外光照射。
Description
技术领域
本公开是有关于一种钙钛矿(perovskite)层的形成方法以及包含钙钛矿层的结构的形成方法。
背景技术
由于钙钛矿材料为良好的光电材料，因而被广泛地应用在太阳能电池中。一般来说，在将钙钛矿层形成于基板上的过程中，会先将钙钛矿前驱物材料涂布于基板上，然后利用设置于基板下方的加热板对基板进行加热，以使钙钛矿前驱物材料中的溶剂挥发并使钙钛矿前驱物产生反应而形成钙钛矿层。
然而，当钙钛矿材料大面积量产时，利用加热板自基板的下方提供能量会造成加热温度不均匀的问题，因而导致所形成的钙钛矿层的质量不佳。此外，在太阳能电池的工艺中，欲在钙钛矿层上形成电洞传输层(hole transport layer，HTL)时，由于溅镀工艺会对钙钛矿层造成损害，因此并不容易使用无机层来作为钙钛矿层上的电洞传输层。
公开内容
本公开提供一种钙钛矿层的形成方法，其对钙钛矿前驱物材料进行加热与红外光照射来形成钙钛矿层。
本公开提供一种包含钙钛矿层的结构的形成方法，其对钙钛矿层进行紫外光照射来形成保护层。
本公开的钙钛矿层的形成方法包括以下步骤：在基板上涂布钙钛矿前驱物材料；对所述基板进行加热处理；以及对所述钙钛矿前驱物材料进行红外光照射。
本公开的包含钙钛矿层的结构的形成方法包括以下步骤：在基板上形成钙钛矿层；以及对所述钙钛矿层进行第一紫外光照射，以在所述钙钛矿层上形成保护层，其中保护层的材料包括卤化物BX2，B为Pb、Sn或Ge，X为Cl、Br或I。
为让本公开的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1为根据本公开的第一实施例所绘示的钙钛矿层的形成方法的流程图。
图2为根据本公开的第二实施例所绘示的钙钛矿层的形成方法的流程图。
图3为根据本公开的第三实施例所绘示的钙钛矿层的形成方法的流程图。
图4为根据本公开的实施例所绘示的包含钙钛矿层的结构的形成方法的流程图。
图5A至图5C为根据本公开的实施例所绘示的包含钙钛矿层的结构的形成方法的剖面示意图。
【附图中主要元件符号说明】
100、102、104、200、300、400、402、404：步骤
500：基板
502：钙钛矿层
504：紫外光照射
506：薄膜
508：电镀工艺
510：无机层
具体实施方式
图1为根据本公开的第一实施例所绘示的钙钛矿层的形成方法的流程图。请参照图1，在步骤100中，在基板上涂布钙钛矿前驱物材料。在一实施例中，钙钛矿前驱物材料包括钙钛矿材料ABX3及有机溶剂，其中钙钛矿材料ABX3例如为ABX3型有机无机复合钙钛矿材料，A为有机铵材料(例如CH3NH3、CH3CH2NH3、NH2CH＝NH2等)，B为金属材料(例如Pb、Sn、Ge等)，X为卤素(例如Cl、Br或I)，有机溶剂用于溶解上述钙钛矿材料。有机溶剂可举例为γ-丁内酯(GBL)、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)或其混合溶剂。在其他实施例中，其他的钙钛矿前驱物材料可参考文献J.Mater.Chem.A，2015，3，8926-8942和Chem.Soc.Rev.，2019，48，2011-2038，本公开不限于此。
在本实施例中，基板例如是太阳能电池中的基板，基板可为透明或不透明的硬性或软性基板，但本公开不限于此。在其他实施例中，基板可以是任何合适的基板。此外，在本实施例中，涂布钙钛矿前驱物材料的方法例如是刮刀涂布法(blade)、狭缝式涂布(slot-die)、喷涂(spray)等。当基板为大尺寸基板时，以刮刀涂布法来涂布钙钛矿前驱物材料可使钙钛矿前驱物材料均匀地分布于基板上，以利于钙钛矿层的生长。此外，透过刮刀涂布法，可使薄膜表面更加平整，且经由调节刮刀间隙，可更好地控制薄膜厚度。此外，刮刀涂布法还具有工艺简单以及设备成本低的优点。然而，在本公开中，涂布钙钛矿前驱物材料的方法并不限于刮刀涂布法，也可使用上述各种方法来涂布钙钛矿前驱物材料。
然后，在步骤102中，在涂布钙钛矿前驱物材料之后，对基板进行加热处理，以使钙钛矿前驱物材料中的溶剂挥发而产生晶核，并使钙钛矿前驱物产生反应而逐渐成长出致密的钙钛矿薄膜。在本实施例中，例如使用加热板在基板的下方对基板进行加热，且加热处理的温度例如介于60℃至150℃之间。当加热温度低于60℃，无法使主要溶剂挥发；当加热温度高于150℃，会造成钙钛矿裂解。加热处理的时间例如介于30分钟至1小时之间。
然后，在步骤104中，在停止对基板进行加热处理之后，对钙钛矿前驱物材料进行红外光照射，使钙钛矿前驱物材料中的溶剂加速挥发，以形成具有大晶粒(300nm～500nm)的钙钛矿层。此外，在进行红外光照射时，钙钛矿前驱物材料中的元素(ABX3)可均匀扩散，因此可形成具有较佳质量的钙钛矿层。另外，通过上述方式，可形成2D/3D混合结构钙钛矿层。在本实施例中，红外光照射使用波长例如介于700nm至1400nm之间红外光，且红外光照射的时间例如介于20秒至30分钟之间。低于20秒无法形成2D/3D混合结构钙钛矿层，超过30分钟则会造成钙钛矿晶体裂解。
将比较例的钙钛矿层(经100℃加热1小时形成钙钛矿之后未进行红外光照射)与本实施例的钙钛矿层(经100℃加热1小时形成钙钛矿之后照射红外光30分钟)，随后依序沉积Spiro-OMeTAD、Au电极后，形成太阳能电池，再进行照光测试，照光条件为AM1.5，1000W/m2，25℃下。经测试后，在效率方面，具有本实施例的钙钛矿层的太阳能电池的效率(12.4％)明显高于具有比较例的钙钛矿层的太阳能电池的效率(10.0％)。此外，在短路电流方面，具有本实施例的钙钛矿层的太阳能电池的短路电流(16.0mA/cm2)明显高于具有比较例的钙钛矿层的太阳能电池的短路电流(14.0mA/cm2)。
图2为根据本公开的第二实施例所绘示的钙钛矿层的形成方法的流程图。在本实施例中，与第一实施例相同的步骤将不再对其进行描述。
请参照图2，与第一实施例相同，在步骤100中，在基板上涂布钙钛矿前驱物材料。然后，在步骤200中，同时对基板进行加热处理以及对钙钛矿前驱物材料进行红外光照射。在本实施例中，例如使用加热板在基板的下方对基板进行加热，且加热处理的温度例如介于60℃至150℃之间，加热处理的时间例如介于30分钟至1小时之间。此外，红外光照射使用波长例如介于700nm至1400nm之间红外光，且红外光照射的时间例如介于介于20秒至30分钟之间。由于红外光照射的时间不长于加热处理的时间，红外光照射的执行可在加热处理的时间区间内，或者开始时间落于加热处理的时间区间内，至少有一段时间同时执行。
在一实施例中，加热处理与红外光照射可同时开始进行，或者可同时结束，但本公开不限于此。在其他实施例中，加热处理与红外光照射可不同时开始进行，且红外光照射可先结束、同时结束或加热处理后结束。在本实施例中，由于加热处理与红外光照射同时进行，因此可使钙钛矿前驱物材料中的溶剂加速挥发，以形成具有大晶粒(300nm～1.5m)的钙钛矿层。
将比较例的钙钛矿层(经100℃加热1小时形成钙钛矿期间未进行红外光照射)与本实施例的钙钛矿层(经100℃加热1小时形成钙钛矿期间同时开始照射红外光10分钟)，随后依序沉积Spiro-OMeTAD、Au电极后，形成太阳能电池，再进行照光测试，照光条件为AM1.5，1000W/m2，25℃下进行测试。经测试后，在效率方面，具有本实施例的钙钛矿层的太阳能电池的效率(16.5％)明显高于具有比较例的钙钛矿层的太阳能电池的效率(15.3％)。此外，在填充因子(fill factor)方面，具有本实施例的钙钛矿层的太阳能电池的填充因子(0.74)明显高于具有比较例的钙钛矿层的太阳能电池的填充因子(0.68)。
图3为根据本公开的第三实施例所绘示的钙钛矿层的形成方法的流程图。在本实施例中，与第一实施例相同的步骤将不再对其进行描述。
请参照图3，与第一实施例相同，在步骤100中，在基板上涂布钙钛矿前驱物材料。然后，在步骤300中，同时对基板进行加热处理以及对钙钛矿前驱物材料进行红外光照射与紫外光照射。在本实施例中，例如使用加热板在基板的下方对基板进行加热，且加热处理的温度例如介于60℃至150℃之间，加热处理的时间例如介于30分钟至1小时之间。此外，红外光照射使用波长例如介于700nm至1400nm之间红外光，且红外光照射的时间例如介于20秒至30分钟之间。另外，紫外光照射使用波长介于320nm至400nm之间的紫外光，且紫外光照射的时间不超过600秒，超过600秒会造成钙钛矿晶体裂解。
在一实施例中，加热处理、红外光照射与紫外光照射同时开始进行，或者可同时结束，但本公开不限于此。在其他实施例中，加热处理、红外光照射与紫外光照射可不同时开始进行且红外光照射可先结束，或者加热处理与红外光照射同时开始进行且红外光照射的结束时间不晚于紫外光照射的结束时间。也就是说，只要紫外光照射在加热处理的期间进行且红外光照射的结束时间不晚于紫外光照射的结束时间即可。如此一来，可使钙钛矿前驱物材料中的溶剂加速挥发，以形成具有大晶粒(300nm～1m)的钙钛矿层。此外，由于对钙钛矿前驱物材料进行紫外光照射，因此可使钙钛矿前驱物材料的分子之间的键结活化而使晶粒界面再结晶，且因此可有效地减少迟滞效应(hysteretic response)。
将比较例的钙钛矿层(经100℃加热1小时形成钙钛矿期间未进行红外光照射与紫外光照射)与本实施例的钙钛矿层(经100℃加热1小时形成钙钛矿期间同时开始照射红外光10分钟以及紫外光10分钟)，随后依序沉积Spiro-OMeTAD、Au电极后，形成太阳能电池，再进行照光测试，照光条件为AM1.5，1000W/m2，25℃下进行测试。经测试后，在效率方面，具有本实施例的钙钛矿层的太阳能电池的效率(14.6％)明显高于具有比较例的钙钛矿层的太阳能电池的效率(13.6％)。此外，在迟滞效应改善方面，具有本实施例的钙钛矿层的太阳能电池的迟滞系数(2.5mA/cm2)明显低于具有比较例的钙钛矿层的太阳能电池的迟滞系数(6.5mA/cm2)。
此外，当本公开的钙钛矿层应用于太阳能电池中时，会将各种膜层(例如保护层、电洞传输层等)形成于钙钛矿层上，以形成包含钙钛矿层的堆栈结构，以下将对此进行说明。
图4为根据本公开的实施例所绘示的包含钙钛矿层的结构的形成方法的流程图。图5A至图5C为根据本公开的实施例所绘示的包含钙钛矿层的结构的形成方法的剖面示意图。请同时参照图4与图5A，在步骤400中，在基板500上形成钙钛矿层502。在本实施例中，并不对钙钛矿层502的形成方法作限制。举例来说，钙钛矿层502可参照上述第一实施例、第二实施例、第三实施例或现行的各种方式来形成，如文献Nanomaterials for Solar CellApplications 2019的第417页到446页所述的各种方式来形成。
请同时参照图4与图5B，在步骤402中，在钙钛矿层502形成之后，对钙钛矿层502进行紫外光照射504，以在钙钛矿层502的表面处(自暴露于紫外光照射504的部分向内)形成薄膜506。紫外光照射504与第三实施例中在形成钙钛矿层时所使用的紫外光照射不同。在本实施例中，紫外光照射504使用波长介于320nm至400nm之间的紫外光，且紫外光照射504的时间介于10分钟至30分钟之间。将钙钛矿层502照射紫外光之后，钙钛矿层502的表面处会产生裂解(decomposition)而形成一层薄膜506。薄膜506通常为卤化物薄膜BX2，其中B可为Pb、Sn或Ge，X可为Cl、Br或I。在一实施例中，薄膜506例如为碘化铅薄膜。形成于钙钛矿层502上的薄膜506可作为钙钛矿层502的保护层，以避免钙钛矿层502在后续的工艺中受到损坏。
当采用第三实施例所述的方法来形成钙钛矿层502时，可在形成钙钛矿层502时所使用的紫外光照射停止之后，进行紫外光照射504。或者，可在形成钙钛矿层502之后，直接改变紫外光照射的参数(例如波长、时间等)来进行紫外光照射504。
请同时参照图4与图5C，在步骤404中，在钙钛矿层502上形成薄膜506之后，可进行溅镀工艺508，以在钙钛矿层502上形成无机层510。详细地说，由于钙钛矿层502上已形成有薄膜506，因此在进行溅镀工艺508时，可避免钙钛矿层502受损，且可简单且快速地以溅镀工艺508在钙钛矿层502上形成无机层510。无机层510例如是太阳能电池中的无机电洞传输层，但本公开不限于此。此外，在进行溅镀工艺508的过程中，薄膜506会逐渐消耗，因此薄膜506也可称为牺牲层。
将比较例的太阳能电池(钙钛矿层未经紫外光照射来形成牺牲层而直接进行溅镀工艺来形成无机电洞传输层)与实验例的太阳能电池(钙钛矿层经紫外光照射15分钟而在表面上形成有牺牲层，且进行溅镀工艺来形成无机电洞传输层)随后依序沉积Spiro-OMeTAD、Au电极后，形成太阳能电池，再进行照光测试，照光条件为AM1.5，1000W/m2，25℃下进行测试。经测试后，在效率方面，实验例的太阳能电池的效率(3％)明显高于比较例的太阳能电池的效率(0.2％)。原因在于，在比较例中，在对钙钛矿层进行电镀工艺，钙钛矿层被电浆破坏而导致所形成的太阳能电池几乎无法运作，反观在实验例中，由于钙钛矿层经紫外光照射而在表面上形成有牺牲层，因此在电镀工艺中钙钛矿层不会受到电浆的破坏。
虽然本公开已以实施例揭露如上，然而其并非用以限定本公开，任何本领域普通技术人员，在不脱离本公开的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本公开的保护范围当以权利要求所界定的为准。
Claims (20)
1.一种钙钛矿层的形成方法，包括：
在基板上涂布钙钛矿前驱物材料；
对所述基板进行加热处理；以及
对所述钙钛矿前驱物材料进行红外光照射。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿层的形成方法，其中所述加热处理在所述红外光照射之前进行。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿层的形成方法，其中所述加热处理与所述红外光照射同时进行。
4.根据权利要求1或3所述的钙钛矿层的形成方法，还包括对所述钙钛矿前驱物材料进行紫外光照射，其中所述紫外光照射在所述加热处理的期间进行，且所述红外光照射的结束时间不晚于所述紫外光照射的结束时间。
5.根据权利要求4所述的钙钛矿层的形成方法，其中所述紫外光照射使用波长介于320nm至400nm之间的紫外光。
6.根据权利要求5所述的钙钛矿层的形成方法，其中所述紫外光照射的时间不超过600秒。
7.根据权利要求1所述的钙钛矿层的形成方法，其中所述加热处理的温度介于60℃至150℃之间。
8.根据权利要求1或7所述的钙钛矿层的形成方法，其中所述加热处理的时间介于30分钟至1小时之间。
9.根据权利要求1所述的钙钛矿层的形成方法，其中所述红外光照射使用波长介于700nm至1400nm之间红外光。
10.根据权利要求1或9所述的钙钛矿层的形成方法，其中所述红外光照射的时间介于20秒至30分钟之间。
11.根据权利要求1所述的钙钛矿层的形成方法，其中涂布所述钙钛矿前驱物材料的方法包括刮刀涂布法、狭缝式涂布或喷涂。
12.一种包含钙钛矿层的结构的形成方法，包括：
在基板上形成钙钛矿层；以及
对所述钙钛矿层进行第一紫外光照射，以在所述钙钛矿层上形成保护层，其中所述保护层的材料包括卤化物BX2，B为Pb、Sn或Ge，X为Cl、Br或I。
13.根据权利要求12所述的包含钙钛矿层的结构的形成方法，其中所述第一紫外光照射使用波长介于320nm至400nm之间的紫外光。
14.根据权利要求12或13所述的包含钙钛矿层的结构的形成方法，其中所述第一紫外光照射的时间介于10分钟至30分钟之间。
15.根据权利要求12所述的包含钙钛矿层的结构的形成方法，其中形成所述钙钛矿层的方法包括：
在所述基板上涂布钙钛矿前驱物材料；
对所述基板进行加热处理；以及
对所述钙钛矿前驱物材料进行红外光照射。
16.根据权利要求15所述的包含钙钛矿层的结构的形成方法，其中所述加热处理在所述红外光照射之前进行。
17.根据权利要求15所述的包含钙钛矿层的结构的形成方法，其中所述加热处理与所述红外光照射同时进行。
18.根据权利要求15或17所述的包含钙钛矿层的结构的形成方法，还包括对所述钙钛矿前驱物材料进行第二紫外光照射，其中所述第二紫外光照射在所述加热处理的期间进行，且所述红外光照射的结束时间不晚于所述紫外光照射的结束时间。
19.根据权利要求12所述的包含钙钛矿层的结构的形成方法，其中在形成所述保护层之后，还包括进行溅镀工艺，以在所述钙钛矿层上形成无机层。
20.根据权利要求19所述的包含钙钛矿层的结构的形成方法，其中所述无机层为电洞传输层。
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