CN114242897A - 一种钙钛矿光电器件的封装的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿光电器件的封装方法，包括：采用磁控溅射方法将封装材料溅射在所述钙钛矿光电器件的导电电极层上，形成封装层。其中，所述封装材料为包括但不限于氧化铝、氧化硅或聚四氟乙烯；所述封装层的厚度为1‑1000nm。本发明的封装方法，能够应用于以钙钛矿太阳能电池为代表的金属卤化物钙钛矿光电器件中，在实现钙钛矿光电器件较高光电转换效率的基础上，对钙钛矿器件进行封装，隔绝了钙钛矿器件与氧气和水的接触，保持了封装结构的气密性和稳定性，大幅提高了钙钛矿光电器件的使用寿命和稳定性。

Description

一种钙钛矿光电器件的封装的方法
技术领域
本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种钙钛矿光电器件的封装方法。
景技术
金属卤化物钙钛矿光电器件以其较高的光电转换效率、低廉的制备成本、较为简单的制备工艺而备受光伏行业关注。其中，钙钛矿光电器件主要由透明导电基底、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和对电极等5部分组成。目前钙钛矿太阳能器件主要分为两种结构，即正式结构和反式结构，但无论何种结构，对于钙钛矿光电器件而言，其相应的封装技术尤为重要，直接关乎到钙钛矿光电器件的长期稳定性。
针对钙钛矿光电器件的封装方法大多使用原子层沉积(Atomic LayerDeposition,ALD)技术。ALD是一种可以将物质以单原子膜的形式往复多次沉积在基底表面的技术。当一种前驱体在基底表面饱和吸附之后，需要用惰性气体对反应基底进行清洗，清除第一种前驱体与基底表面发生饱和吸附后多余的副产物，之后再通入另一前驱体继续发生反应，如此往复进行，从而实现密封封装的效果。这也是目前在晶硅光电器件、钙钛矿光电器件应用较为广泛的传统封装技术方案。
对于使用原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD)技术进行封装的方法来说，主要存在以下问题：(1)对于一个ALD循环，在两个反应之间需要通入惰性气体清洗掉上一反应的剩余前驱体和副产物，以避免两种前驱体交叉污染，导致薄膜厚度生长不可控。(2)在清洗过程中，大部分前驱体因饱和吸附特性没有被利用，而是被清洗掉，前驱体利用率相比于其他薄膜制备技术较低，因此成本较高。(3)同时为清洗干净腔体中的前驱体和副产物，清洗步骤需要长时间的通入惰性气体，因此一个原子沉积循环需要较长的时间，薄膜沉积速率较低。(4)可应用于ALD的材料较少，例如聚四氟乙烯无法通过ALD制备。
因此，需要开发一种成本低、适用性广的钙钛矿光电器件的封装技术。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：钙钛矿光电器件的封装技术对钙钛矿光电器件的长期稳定性具有较大影响，目前采用原子层沉积技术进行封装，存在成本高、耗时长、能够适用的材料少等技术缺陷，因此，需要对钙钛矿光电器件的封装技术进行改进。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种钙钛矿光电器件的封装方法，采用磁控溅射的方法直接快速地在钙钛矿器件上沉积封装材料，能够应用于以钙钛矿太阳能电池为代表的金属卤化物钙钛矿光电器件中，在实现钙钛矿光电器件较高光电转换效率的基础上，对钙钛矿器件进行封装，隔绝了钙钛矿器件与氧气和水的接触，保持了封装结构的气密性和稳定性，大幅提高了钙钛矿光电器件的使用寿命和稳定性。
本发明实施例的钙钛矿光电器件的封装方法一种钙钛矿光电器件的封装方法，其特征在于，包括：采用磁控溅射方法将封装材料溅射在所述钙钛矿光电器件的金属电极层上，形成封装层。
本发明实施例钙钛矿光电器件的封装方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法中，采用磁控溅射技术在金属电极上形成封装层，通过磁控溅射得到的封装层与金属电极结合性能好，并且封装层均匀，纯度高，致密性好；2、本发明实施例的方法中，采用磁控溅射形成封装层具有良好的重复性，可以在金属电极上获得均匀厚度的封装层薄膜，能够精确地控制封装层的厚度；3、本发明实施例的方法中，采用磁控溅射的方法进行封装，对封装材料的利用率高，有效降低了成本；4、本发明实施例的方法中，沉积速度快，对钙钛矿光电器件各功能层的损伤小；5、本发明实施例的方法，在钙钛矿光电器件上沉积封装层，能够在保持钙钛矿光电器件较高光电转换效率的同时，使水氧稳定性得到显著提升，大幅提高了钙钛矿光电器件的使用寿命；6、本发明实施例的方法，采用磁控溅射方法可使用的材料范围广，对封装材料要求低，只要能制成耙材，就可以实现磁控溅射，不同的金属、合金、氧化物能够进行混合，同时溅射于基材上，易于实现商业化大规模生产；7、本发明实施例的方法，能够应用在正式或反式结构的钙钛矿光电器件上，对溶液旋涂法、热蒸镀法、刮涂法、狭缝挤压涂布等方法制备的钙钛矿光电器件均可以适用，适用性广，具有广阔的应用前景。
在一些实施例中，所述磁控溅射采用惰性氛围，优选通入Ar，真空度为0-5Pa。
在一些实施例中，所述磁控溅射的溅射功率为1-1000W，溅射时间为0.1-100min。
在一些实施例中，所述封装材料包括氧化铝、氧化硅、或聚四氟乙烯中的至少一种。
在一些实施例中，所述封装层的厚度为1-1000nm。
在一些实施例中，所述钙钛矿光电器件的电子传输层包括有机电子传输材料和无机电子传输材料中的至少一种，其中所述有机电子传输材料包括C60、PCBM、BCP中的至少一种，所述无机电子传输材料包括SnO2或TiO2中的至少一种。
在一些实施例中，所述钙钛矿光电器件的钙钛矿层材料的结构为ABX3，其中，A包括H2N＝CHNH2、CH3NH3或Cs中的至少一种；B包括Pb、Sn中的至少一种；X包括I、Br或Cl中的至少一种。
在一些实施例中，所述钙钛矿光电器件的空穴传输层包括有机空穴传输材料或无机空穴传输材料中的至少一种，其中，所述有机空穴传输材料包括Spiro-OMeTAD、PTAA、P3HT中的至少一种；所述无机空穴传输材料包括NiO、Cu2O、CuSCN中的至少一种。
本发明还提供了一种钙钛矿光电器件，所述钙钛矿光电器件的导电电极层上设置采用本发明实施例的封装方法制得的封装层。
本发明实施例的钙钛矿光电器件带来的优点和技术效果，本发明实施例的钙钛矿光电器包括磁控溅射方法形成的封装层，在具有较高光电转换效率的同时，水氧稳定性得到显著提升。
在一些实施例中，所述钙钛矿光电器件为正式结构或反式结构，其中，所述正式结构依次包括透明导电基底、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、导电电极层和封装层，所述反式结构依次包括透明导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、导电电极层和封装层。
附图说明
图1是实施例1制得的钙钛矿光电器件的结构示意图。
图2是实施例6制得的钙钛矿光电器件的结构示意图。
图3是实施例1和对比例1制得的钙钛矿光电器件的稳定性测试对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例的钙钛矿光电器件的封装方法一种钙钛矿光电器件的封装方法，其特征在于，包括：采用磁控溅射方法将封装材料溅射在所述钙钛矿光电器件的金属电极层上，形成封装层。
本发明实施例钙钛矿光电器件的封装方法，采用磁控溅射技术在金属电极上形成封装层，通过磁控溅射得到的封装层与金属电极结合性能好，并且封装层均匀，纯度高，致密性好；本发明实施例的方法中，采用磁控溅射形成封装层具有良好的重复性，可以在金属电极上获得均匀厚度的封装层薄膜，能够精确地控制封装层的厚度；本发明实施例的方法中，采用磁控溅射的方法进行封装，对封装材料的利用率高，有效降低了成本；本发明实施例的方法中，沉积速度快，对封装层的损伤小；本发明实施例的方法，在钙钛矿光电器件上沉积封装层，能够在保持钙钛矿光电器件较高光电转换效率的同时，使水氧稳定性得到显著提升，大幅提高了钙钛矿光电器件的使用寿命；本发明实施例的方法，采用磁控溅射方法可使用的材料范围广，对封装材料要求低，只要能制成耙材，就可以实现磁控溅射，不同的金属、合金、氧化物能够进行混合，同时溅射于基材上，易于实现商业化大规模生产；本发明实施例的方法，能够应用在正式或反式结构的钙钛矿光电器件上，对溶液旋涂法、热蒸镀法、刮涂法、狭缝挤压涂布等方法制备的钙钛矿光电器件均可以适用，适用性广，具有广阔的应用前景。
在一些实施例中，所述磁控溅射采用惰性氛围，真空度0-5Pa，本发明实施例中真空度指绝对压力。本发明实施例中真空度过高会影响溅射形成封装层的薄膜质量。
在一些实施例中，所述磁控溅射的溅射功率为1-1000W，优选为100-500w，溅射时间为0.1-100min，优选为20-100min。本发明实施例中，优选了溅射功率和时间，能够进一步提升钙钛矿光电器件的性能。溅射功率过高会损伤钙钛矿光电器件各功能层，过低会造成起辉效果差，封装层薄膜质量差，溅射时间大大增加。
本发明实施例对所述封装材料没有限制，优选地，封装材料包括但不限于氧化铝、氧化硅或聚四氟乙烯。本发明实施例的方法，对封装材料没有特殊要求，只要能制成耙材，就可以实现磁控溅射，易于推广应用。
在一些实施例中，所述封装层的厚度为1-1000nm。本发明实施例中，优选了封装层的厚度，能够进一步提升钙钛矿光电器件的性能。
在一些实施例中，所述钙钛矿光电器件的电子传输层包括有机电子传输材料和无机电子传输材料中的至少一种，其中所述有机电子传输材料包括但不限于C60、PCBM或BCP，所述无机电子传输材料包括但不限于SnO2或TiO2。所述钙钛矿光电器件的钙钛矿层材料的结构为ABX3，其中，A包括但不限于NH＝CHNH3、CH3NH3或Cs；B包括但不限于Pb或Sn；X包括但不仅限于I、Br或Cl。所述钙钛矿光电器件的空穴传输层包括有机空穴传输材料或无机空穴传输材料中的至少一种，其中，所述有机空穴传输材料包括但不限于Spiro-OMeTAD、PTAA或P3HT；所述无机空穴传输材料包括但不限于NiO、Cu2O或CuSCN。所述钙钛矿光电器件的制备方法包括溶液旋涂法、热蒸镀法、刮涂法或狭缝挤压涂布法。本发明实施例的方法中，对钙钛矿光电器件的电子传输层、钙钛矿层、空穴传输材料以及钙钛矿光电器件的制备方法均无特别限制，适用性广，易于应用。
本发明还提供了一种钙钛矿光电器件，所述钙钛矿光电器件的导电电极层上设置采用本发明实施例的封装方法制得的封装层。优选地，所述钙钛矿光电器件为正式结构或反式结构，其中，所述正式结构依次包括透明导电基底、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、导电电极层和封装层，所述反式结构依次包括透明导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、导电电极层和封装层。本发明实施例的钙钛矿光电器件，包括磁控溅射方法形成的封装层，在具有较高光电转换效率的同时，水氧稳定性得到显著提升。下面结合附图和实施例详细描述本发明。
实施例1
(1)在透明导电氧化物基底上制备电子传输层
将氧化锡溶液旋涂在透明导电氧化物基底上，厚度约为30nm。
(2)在电子传输层上制备钙钛矿层
将FAPbI3钙钛矿前驱体溶液以旋涂的方式，旋涂在电子传输层上，厚度约为600nm。
(3)在钙钛矿层上制备空穴传输层
将空穴传输材料Spiro-OMeTAD以溶液旋涂的方式，旋涂在钙钛矿层上，厚度约为150nm。
(4)在空穴传输层上制备导电电极层
采用蒸镀或溅射的方式，将金属电极镀在空穴传输层膜上，厚度约为100nm，以此形成完整的薄膜电极。
(5)在导电电极层上制备封装材料层
利用磁控溅射技术将封装材料氧化铝(Al2O3)直接溅射在导电电极层上，从而实现封装钙钛矿光电器件，包括如下步骤：
a、抽真空：对舱体进行抽真空，打开机械泵、分子泵、插板阀，待腔体真空度达到10-4Pa。
b、调整真空度：待真空度达到实验所需10-4Pa时，通入氩气，关闭插板阀至舱体真空度达到2.0Pa，准备溅射。
c、溅射：溅射功率为200W，时间为60分钟，直接将氧化铝(Al2O3)靶材溅射在步骤(4)制得的钙钛矿光电器件的导电极层上，制得厚度约为300nm的封装层，完成钙钛矿光电器件的制备。
本实施例制得的钙钛矿光电器件的结构见图1。
将本实施例制得的钙钛矿光电器件进行500小时的连续湿度稳定性测试，湿度RH控制为85％，测试结果见图2。经过500小时的连续湿度稳定性测试后，钙钛矿光电器件的效率衰减仅为6％，具有优异的稳定性。
本实施例制得的钙钛矿光电器件的转换效率为19.37％。
实施例2
与实施例1的方法相同，不同之处在于，封装材料为氧化硅。
将本实施例制得的钙钛矿光电器件进行500小时的连续湿度稳定性测试，湿度RH控制为85％。经过500小时的连续湿度稳定性测试后，钙钛矿光电器件的效率衰减仅为6.5％，具有优异的稳定性。
本实施例制得的钙钛矿光电器件的转换效率为19.21％。
实施例3
与实施例1的方法相同，不同之处在于，封装材料为聚四氟乙烯。
将本实施例制得的钙钛矿光电器件进行500小时的连续湿度稳定性测试，湿度RH控制为85％。经过500小时的连续湿度稳定性测试后，钙钛矿光电器件的效率衰减仅为6％，具有优异的稳定性。
本实施例制得的钙钛矿光电器件的转换效率为19.45％。
实施例4
与实施例1的方法相同，不同之处在于，步骤(5)中的溅射功率为300W，时间为40分钟。
将本实施例制得的钙钛矿光电器件进行500小时的连续湿度稳定性测试，湿度RH控制为85％。经过500小时的连续湿度稳定性测试后，钙钛矿光电器件的效率衰减仅为7％，具有优异的稳定性。
本实施例制得的钙钛矿光电器件的转换效率为18.85％。
实施例5
与实施例1的方法相同，不同之处在于，步骤(5)中的溅射功率为100W，时间为100分钟。
将本实施例制得的钙钛矿光电器件进行500小时的连续湿度稳定性测试，湿度RH控制为85％。经过500小时的连续湿度稳定性测试后，钙钛矿光电器件的效率衰减仅为7.5％，具有优异的稳定性。
本实施例制得的钙钛矿光电器件的转换效率为19.22％。
实施例6
与实施例1的方法相同，不同之处在于将步骤1和步骤3中的电子传输层和空穴传输层形成顺序进行调整，在透明导电氧化物基底上依次形成空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、导电电极层和封装层，器件结构为反式结构，如图2所示。
将本实施例制得的钙钛矿光电器件进行500小时的连续湿度稳定性测试，湿度RH控制为85％。经过500小时的连续湿度稳定性测试后，钙钛矿光电器件的效率衰减仅为6.8％，具有优异的稳定性。
本实施例制得的钙钛矿光电器件的转换效率为18.75％。
对比例1
与实施例1的方法相同，不同之处在于不进行封装，取消步骤(5)。
将对比例1制得的钙钛矿光电器件进行500小时的连续湿度稳定性测试，湿度RH控制为85％，测试结果见图3。经过200小时的连续湿度稳定性测试后，钙钛矿光电器件的效率衰减达60％，稳定性很差。
对比例1制得的钙钛矿光电器件的转换效率为18.97％。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种钙钛矿光电器件的封装方法，其特征在于，包括：采用磁控溅射方法将封装材料溅射在所述钙钛矿光电器件的导电电极层上，形成封装层。
2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述磁控溅射采用惰性氛围，真空度为0-5Pa。
3.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述磁控溅射的溅射功率为1-1000W，溅射时间为0.1-100min。
4.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述封装材料包括氧化铝、氧化硅或聚四氟乙烯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述封装层的厚度为1-1000nm。
6.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述钙钛矿光电器件的电子传输层包括有机电子传输材料和无机电子传输材料中的至少一种，其中所述有机电子传输材料包括C60、PCBM、BCP中的至少一种，所述无机电子传输材料包括SnO2或TiO2中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述钙钛矿光电器件的钙钛矿层材料的结构为ABX3，其中，A包括H2N＝CHNH2、CH3NH3或Cs中的至少一种；B包括Pb、Sn中的至少一种；X包括I、Br或Cl中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述钙钛矿光电器件的空穴传输层包括有机空穴传输材料或无机空穴传输材料中的至少一种，其中，所述有机空穴传输材料包括Spiro-OMeTAD、PTAA、P3HT中的至少一种；所述无机空穴传输材料包括NiO、Cu2O、CuSCN中的至少一种。
9.一种钙钛矿光电器件，其特征在于，所述钙钛矿光电器件的导电电极层上设置采用权利要求1-8中任一项所述的方法制得的封装层。
10.根据权利要求9所述的钙钛矿光电器件，其特征在于，所述钙钛矿光电器件为正式结构或反式结构，其中，所述正式结构依次包括透明导电基底、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、导电电极层和封装层，所述反式结构依次包括透明导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、导电电极层和封装层。
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CN116507184A (zh) * 2023-06-29 2023-07-28 深圳无限光能技术有限公司 一种钙钛矿太阳能电池封装涂层的制备方法及太阳能电池

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