[发明专利]一种甲脒铯铅碘钙钛矿薄膜的化学气相沉积制备方法及基于其的光伏器件

说明书

本发明公开了一种甲脒铯铅碘钙钛矿薄膜的化学气相沉积制备方法及基于其的光伏器件，是分两步制备混合阳离子钙钛矿薄膜，首选将无机阳离子Cs⁺和碘化铅形成Cs_xPbI_2+x前驱体溶液并旋涂到基底上得到Cs_xPbI_2+x前驱体薄膜，然后将有机阳离子FA通过化学气相沉积方法引入到钙钛矿ABX₃体系，即获得FA_1‑xCs_xPbI₃钙钛矿薄膜。本发明可精确控制A位置阳离子比例、成本低、简单易操作、重复性好；同时，本发明还将所制FA_1‑xCs_xPbI₃薄膜作为光吸收层，制备出FTO/c‑TiO₂/FA_1‑xCs_xPbI₃/Sprio‑OMeTAD/Ag结构的钙钛矿太阳电池，首批电池光电效率达到12.67％，并表现出良好的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种FA_1-xCs_xPbI₃钙钛矿薄膜的化学气相沉积制备方法及其光伏器件的应用，属于薄膜太阳能电池光伏器件的制备工艺领域。

背景技术

随着人类社会的不断发展，人类对于能源的需求不断增加，然而传统的化石能源燃烧所带来的环境问题和能源危机也随之产生，因此拓展可再生、环境友好的新能源势在必行。在地球上取之不尽、用之不竭的太阳能作为重要的新能源被寄予很大的希望。自2009年，Miyasaka等人首次将钙钛矿材料(ABX₃结构)CH₃NH₃PbI₃用在染料敏化太阳能电池中并达到了约4％的光伏效率，此后的几年，CH₃NH₃PbI₃在太阳能电池领域大放异彩，目前其得到认证的最高效率已突破20％。这类电池同时具有制备工艺简单、成本低廉等优点，但是有机-无机杂化钙钛矿结构在温度或湿度较高的环境下，晶格易被破坏而导致材料分解。虽然以CH₃NH₃PbI₃作为光吸收层的钙钛矿太阳能电池的效率很高，但其也存在许多缺点，比如，CH3NH3⁺基团(MA)的热稳定性较差，CH₃NH₃PbI₃在85℃以上就会发生分解；并且，CH₃NH₃PbI₃对H₂O也非常敏感。因此，钙钛矿电池要真正实现产业化应用，亟待解决材料及器件的稳定性问题。

有研究表明，将MA替换成HN＝CH(NH₃)⁺(FA)或Cs⁺会提高器件的热稳定性，全无机钙钛矿CsPbI₃和有机-无机杂化钙钛矿FAPbI₃的热稳定性都远高于传统的CH₃NH₃PbI₃。但是上述两种材料由于Cs⁺的离子半径过小，FA的半径过大都导致了两种钙钛矿晶体结构不稳定，所以在大气环境下两种材料都不能稳定存在。若将FA和Cs⁺同时掺入钙钛矿ABX₃结构中的A位置，形成FA_1-xCs_xPbI₃结构，则有望解决A位阳离子半径过大或过小的问题，在稳定钙钛矿结构的同时也可以提高材料热稳定性的。

目前报导的钙钛矿制备方法主要包含了真空热蒸发法和溶液法(如CN104900810A)。真空热蒸发工艺可以得到高质量薄膜，但昂贵的真空设备、复杂的工艺、难以控制元素的比例及薄膜面积过小等局限性使得难以实现工业生产；溶液法工艺操作简单，但由于材料超快的反应速率而导致薄膜粗糙、多孔及未完全覆盖等问题，因而限制了钙钛矿太阳电池的工业化大面积应用。

发明内容