[发明专利]一种钙钛矿薄膜缺陷态的气相钝化方法

说明书

本发明提供了一种钙钛矿薄膜缺陷态的气相钝化方法，包括如下步骤：(1)采用物理化学法将钙钛矿前驱液涂覆于导电基底上，经退火处理后形成钙钛矿薄膜；(2)将步骤(1)所述的涂覆有钙钛矿薄膜的导电基底送入反应腔内；(3)将特定的电压加载于步骤(2)所述的导电基底上，进而实现向基底上涂覆的钙钛矿薄膜加载电压；(4)使用缓冲气体将用于缺陷态钝化的气体分子通入至步骤(2)所述的反应腔内，与步骤(3)所述的已加载电压的钙钛矿薄膜进行化学反应；(5)将步骤(4)所述的钙钛矿薄膜和气体分子的反应活性经原位表征系统进行检测，根据反应活性的检测结果即可判断钙钛矿薄膜缺陷态的钝化。所述方法是通过向钙钛矿薄膜施加电场，诱发钙钛矿薄膜缺陷态与气体分子发生化学反应，实现钙钛矿薄膜缺陷态的钝化。本发明具有条件可控、重复准确性高等优点。

技术领域

本发明属于薄膜制备技术和太阳能电池制备技术领域，具体涉及一种钙钛矿薄膜缺陷态的气相钝化方法。

背景技术

实现太阳能的高效转化和利用，设计构建性能优异的太阳能电池至关重要。钙钛矿太阳电池因其快速增长的光电转换效率，在光伏界备受关注。钙钛矿薄膜层作为钙钛矿太阳电池中光电转换功能层，其质量直接关系太阳电池的性能参数。制备中，钙钛矿薄膜不可避免地存在多种缺陷态，直接影响钙钛矿薄膜与器件中激子的产生、分离，载流子的扩散，电荷的输运、收集等过程。钙钛矿薄膜缺陷是制约钙钛矿太阳能电池光电转换效率和器件稳定性的关键因素。

近年来，研究人员开发多种钙钛矿薄膜缺陷态钝化技术来提高薄膜质量。采用配体分子工程调节钙钛矿结晶并钝化钙钛矿薄膜缺陷，抑制非辐射复合，制备高效稳定钙钛矿太阳能电池(Zheng等人，Nat.Energy 2020,5,第131-140 页)；采用添加剂工程结合界面工程，改善钙钛矿薄膜微观形貌，优化结晶粒度，控制多晶，减少非辐射复合缺陷，实现钙钛矿太阳电池光电转换效率和稳定性的双重提升(Zhang等人，Adv.Energy Mater.2020,10,文章号1902579)；界面工程为钙钛矿薄膜提供有效的钝化，提升电荷提取效率，改善钙钛矿太阳能电池的开路电压(Chen等人,ACS Energy Lett.2020,5,第2742-2786页)。以上钙钛矿薄膜缺陷调控策略是基于在钙钛矿成膜过程中加入钝化功能添加剂，或对薄膜表面进行后处理，都是以溶液相进行。但溶液相中存在的杂质效应、溶剂效应，为钙钛矿薄膜缺陷态钝化带来了不可控的因素。因此针对这一问题，亟需开发出新的钙钛矿薄膜缺陷态钝化技术，从而弥补液相法钙钛矿薄膜缺陷态钝化技术在条件可控性方面的不足。

研究表明钙钛矿材料可对多种气体分子进行传感检测，如丙酮、O₂、 N₂、NO₂、CO₂等(Shellaiah等人，Chemosensors 2020,8,文章号55；Li等人， Sensors and Actuators B:Chemical 2021,327,文章号128918)。其检测机制基于气体分子与钙钛矿的相互作用，钙钛矿表面结构的改变影响表征技术的结果，但钙钛矿和气体分子是非共价相互作用，当气体分子抽离钙钛矿表面后，钙钛矿性质可恢复。该过程表明气体分子没有实现对钙钛矿薄膜缺陷的不可逆修饰。近期，有研究表明，在磁场的作用下，含缺陷态钙钛矿可以高效率光催化N₂转化为NH₃ (Xiao等人，Angew.Chem.Int.Ed.2021,60,第11910-11918页)；脉冲电压调控Cu电极缺陷位点再分布，从而提高CO₂电还原产物的选择性(Jeon等人，J.Am.Chem.Soc.2021,143,第7578-7587页)。以上研究表明，通过施加磁场、电场等外力，可提高缺陷态化学活性，诱发其发生化学反应。目前尚未有报道利用外场诱导，采用气相分子气体与钙钛矿薄膜表面相互作用，钝化薄膜缺陷态，提高薄膜质量。

基于此，本发明人通过实验研究后发现，通过向钙钛矿薄膜加载电场，在与气体分子作用时，表现出钙钛矿薄膜缺陷态钝化的特性，据此发明人通过对钝化条件进行优化，成功实现钙钛矿薄膜缺陷态气相钝化。

发明内容