一种无铅钙钛矿薄膜、其制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说是一种无铅钙钛矿薄膜、其制备方法及应用。
【背景技术】
[0002]太阳能电池能够将太阳能直接转换成电能，由于太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源，因此太阳能电池是人类应对能源危机，寻求可持续发展的重要对策。目前，晶体硅太阳能电池占有89%的光伏市场份额。然而，昂贵的原材料及其繁琐的电池工艺限制了晶体娃太阳能电池的长远发展。在过去的十年里，薄膜太阳能电池包括娃基薄膜、Cu (In，Ga)Se2-xSx以及CdTe电池等也开始实现大规模产业化。作为第三代太阳能电池的杰出代表，钙钛矿太阳能电池是一种以有机无机钙钛矿材料产生光生电子和空穴对的一类新型全固态有机金属卤化物薄膜太阳能电池。钙钛矿太阳能电池具有能量转换效率高，载流子扩散长度长、迀移率高，核心光电转换材料廉价易得等优点，经过短短五年的发展，其实验室转换效率从3.8%提升至20.1%左右。
[0003]目前，钙钛矿太阳能电池中所用到的钙钛矿材料主要是碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3),它的带隙约为1.5 eV，消光系数高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太阳光。CH3NH3PbI3在制备时通常采用液相一步法来完成，S卩:将PbI2与CH3NH3I以一定的摩尔比例混合，然后溶解于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，待完全溶解后旋涂于相应的基底上，之后对薄膜进行热处理即形成CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜。但是，通过SEM观察，采用液相一步法制备的钙钛矿薄膜很不连续，覆盖度较低，影响电池的开路电压。而且，采用液相一步法制备钙钛矿薄膜，不利于产业化的发展。再有，碘化铅甲胺中含有铅元素，由于铅会对人类身体健康以及环境产生危害，因此在许多地方被列为禁止使用材料。
【发明内容】
[0004]本发明的目的之一就是提供一种无铅钙钛矿薄膜，该无铅钙钛矿薄膜用Sn取代了Pb，实现了环境友好型新型能源的开发和利用。
[0005]本发明的目的之二就是提供一种无铅钙钛矿薄膜的制备方法，该方法采用有机无机交替共蒸发的方法来制备无铅钙钛矿薄膜，可解决现有的液相一步法所制备的钙钛矿薄膜覆盖度低及不利于产业化发展的问题。
[0006]本发明的目的之三就是提供一种上述无铅钙钛矿薄膜的应用，S卩:提供一种钙钛矿太阳能电池，该钙钛矿太阳能电池中应用了上述无铅钙钛矿薄膜，从而使得该钙钛矿太阳能电池具有光伏性能好、对环境友好等优点。
[0007]本发明的目的之一是这样实现的:一种无铅钙钛矿薄膜，所述无铅钙钛矿薄膜的化学通式为CH3NH3SnX3;其中，X为Cl、Br或I。
[0008]本发明所提供的无铅钙钛矿薄膜，由Sn来代替传统的钙钛矿薄膜中的Pb，可解决现有的钙钛矿薄膜中因含有Pb而对环境造成的污染问题;且该无铅钙钛矿薄膜具有较高的质量以及覆盖度。
[0009]本发明的目的之二是这样实现的:一种无铅钙钛矿薄膜的制备方法，包括如下步骤:
a、称取SnX2和CH3NH3X，X为Cl、Br或I;
b、将所称取的SnX2和CH3NH3X作为两个蒸发源放入共蒸发设备的腔室内，同时在共蒸发设备的腔室内设置基片；
C、对共蒸发设备的腔室进行抽真空；
d、对SnX2蒸发源进行加热，使SnX2蒸发并沉积在基片上;之后停止对SnX2蒸发源进行加热，继而对CH3NH3X蒸发源加热，使CH3NH3X蒸发并沉积在基片上，完成SnX2和CH3NH3X交替蒸发的一个循环；
e、重复步骤d，完成SnX2和CH3NH3X交替蒸发的第二个循环；
f、取出基片，并对其进行退火处理，退火完成后即制成无铅钙钛矿薄膜CH3NH3SnX3。
[0010]优选的，步骤f中退火温度为100°0160°C，退火时间为20min?40min。
[0011]更优选的，步骤f中退火温度为160 °C，退火时间为30min。
[0012]优选的，步骤f中所形成的无铅钙钛矿薄膜CH3NH3SnX3的厚度为280nm?450nm。
[0013]优选的，步骤c中对共蒸发设备的腔室抽真空至5X 10—5Pa?30 X 10—5Pa。
[0014]本发明通过有机无机交替共蒸发的方法来制备钙钛矿薄膜，相比现有的液相一步法所制备的钙钛矿薄膜覆盖度高；而且，本发明使用Sn代替传统有机无机杂化钙钛矿薄膜中的Pb，可实现环境友好型新型能源的制备，同时也为Sn-based (锡基)无铅钙钛矿太阳能电池的产业化提供一种可能。
[0015]采用本发明不仅可获得优质大尺寸的无铅钙钛矿薄膜，而且还可解决铅污染的问题，有利于环境保护;第三，有机无机共蒸发法制备的薄膜比较平整，便于大面积生产，为无铅钙钛矿电池的产业化提供了可能。
[0016]本发明的目的之三是这样实现的:一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿薄膜为无铅钙钛矿薄膜，所述无铅钙钛矿薄膜的化学通式为CH3NH3SnX3;其中，X为Cl、Br或I。
[0017]采用本发明中的方法所制备的无铅钙钛矿薄膜，完全可以满足钙钛矿太阳能电池对钙钛矿薄膜高质量的要求，采用该高质量的无铅钙钛矿薄膜，最终可获得高效稳定的钙钛矿太阳能电池。
【附图说明】
[0018]图1是本发明实施例中不同退火温度下所得的钙钛矿薄膜CH3NH3Sn 13的XRD对比图。
[0019]图2是本发明实施例中退火温度为1600C时所得的钙钛矿薄膜CH3NH3SnI3的SEM图。
[0020]图3是本发明实施例中退火温度为160°C时所得的钙钛矿薄膜CH3NH3SnI3的荧光光谱图。
【具体实施方式】
[0021]本发明所提供的无铅钙钛矿薄膜的化学通式为CH3NH3SnX3;其中，X为Cl、Br或I。该无铅钙钛矿薄膜的制备方法具体如下:
a、称取SnX2粉末和CH3NH3X粉末，X为Cl、Br或I。
[0022]b、将所称取的SnX2和CH3NH3X作为两个蒸发源放入共蒸发设备的腔室内，同时在共蒸发设备的腔室内放置基片(或称衬底、基底);共蒸发设备可以为多源共蒸发设备。
[0023]C、对共蒸发设备的腔室进行抽真空;一般可抽真空至5 X 10—5Pa?30 X 10—5Pa。
[0024]d、首先对蒸发源SnX2进行加热，使SnX2蒸发并沉积在基片上；之后停止对蒸发源SnX2进行加热，继而对蒸发源CH3NH3X加热，使CH3NH3X蒸发并沉积在基片上，完成SnX2和CH3NH3X交替蒸发的一个循环。
[0025]e、重复步骤d，完成SnX2和CH3NH3X交替蒸发的第二个循环。
[0026]f、取出基片，并对其进行退火处理，退火温度为100°0160°C，退火时间为20min?40min，退火完成后即制成无铅钙钛矿薄膜CH3NH3SnX3t5无铅钙钛矿薄膜CH3NH3SnX3的厚度可以为 280nm?450nm。<