[发明专利]一种钙钛矿薄膜的制备方法及其在太阳能电池中的应用

说明书

本发明公开了一种钙钛矿薄膜的制备方法及其在太阳能电池中的应用，本发明基于对含有多组分溶质下卤素钙钛矿晶体形核过程的理解，提出通过调节各组分溶解度的方法控制溶剂化BX₂化合物（如PbI₂‑DMF，PbI₂‑DMSO）及其复合物（如MAI‑PbI₂‑DMF，MAI‑PbI₂‑DMSO）的偏析结晶，进而实现对溶液中晶种的形核速率、密度及空间分布的调控，得到高结晶质量、晶体取向优化的钙钛矿薄膜；本发明提出了两种具体实施工艺调节钙钛矿偏析结晶过程：1.通过使用AX类添加剂，调控溶剂化铅卤化合物及其复合物的形核速度和密度；2.通过溶液涂膜工艺，控制溶液局部区域的温度、挥发速率，控制溶剂化的BX₂化合物及其复合物在不同区域上的偏析结晶，得到结晶性好、形貌均匀的钙钛矿薄膜。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，涉及一种钙钛矿薄膜的制备方法及其在太阳能电池中的应用，具体涉及一种基于调控钙钛矿偏析结晶，进而调控钙钛矿成膜形貌和结晶质量的方法。

背景技术

钙钛矿太阳电池作为第三代新型太阳电池技术，有着溶液制备，低成本以及光电性能优异等优点。钙钛矿太阳能电池已从2009年最初报道的3.8%提高到目前已认证的25.2%，接近晶硅太阳能电池效率，展示出很好的应用潜力和商业化前景。钙钛矿薄膜的形貌和微观结构直接影响着钙钛矿太阳能电池的性能。比如，减少钙钛矿薄膜孔洞可以抑制钙钛矿电池的短路，提高钙钛矿薄膜的均一性可以增加电池的效率的重复性和大面积模具效率，增大晶粒尺寸和优化晶粒晶向可以分别减少晶界缺陷和提高电荷的传输效率。

由于钙钛矿溶液的胶体性质，溶剂往往会和钙钛矿溶液的溶质结合生成结晶态的溶剂化铅卤化物，溶剂化铅卤化物的生成比钙钛矿晶体的形成更早，直接影响后期钙钛矿的形成过程，影响钙钛矿薄膜的表面形貌以及钙钛矿晶体的结晶取向。当溶质是多元组分时，比如复合离子钙钛矿、二维层状钙钛矿，钙钛矿形核过程更加复杂。钙钛矿形核过程不仅决定着钙钛矿不同溶质的相分布情况，也影响钙钛矿晶体的结晶取向，这些都直接关系到钙钛矿晶体中载流子的传输效率和最终太阳能电池的效率以及稳定性。

关于控制钙钛矿结晶进而控制薄膜的形貌和微观的结构的方法有很多种，比如在钙钛矿前驱液里加添加剂、调节基底面的亲水性、通过反溶剂使得钙钛矿快速结晶、通过高温退火或者溶剂退火后处理使得晶粒再生长等。然而在钙钛矿溶液中加入添加剂是如何通过控制钙钛矿的形核过程来调控钙钛矿薄膜的形貌，尚未形成一套完整成熟的工艺。

发明内容

针对现有制备技术中对钙钛矿的形核速率、形核区域、析晶过程调控机理不明确、工艺缺乏针对性的问题，本发明的目的在于提供一种有效调节溶剂化的铅卤化合物偏析结晶的形核速率和密度、形核区域的调控原理和方法，并用于改善钙钛矿薄膜的形貌及相关太阳能电池的性能。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：一种钙钛矿形核过程的调控方法，包括：

所述的钙钛矿包括但不限于铅基钙钛矿、B位以铅元素为主导的多组分钙钛矿，在配制钙钛矿前驱体溶液中，通过加入添加剂AX，调控溶剂化的BX₂化合物（如PbI₂-DMF，PbI₂-DMSO）及其复合物（如MAI-PbI₂-DMF，MAI-PbI₂-DMSO）的形成速率和密度，控制溶剂化的BX₂化合物及其复合物的偏析结晶；

采用溶液涂膜法将钙钛矿前驱体溶液涂覆于基底上，控制溶液局部区域的温度、挥发速率，控制溶剂化的BX₂化合物及其复合物在不同区域上的偏析结晶，得到结晶性好、形貌均匀的钙钛矿薄膜；