基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法

本发明涉及太阳能电池，具体的说，基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法。

背景技术：

1、近年来，保护环境降低碳排放量成为了全世界国家努力的方向。作为第三代太阳能电池，钙钛矿太阳能电池因为其成本低廉、制备工艺简单、理论光电转化效率高、可柔性化制备等优点，在未来的光伏技术发展中占有重要地位。无机铅锡混合钙钛矿由于其更好的热稳定性、更高的理想转化效率和锡替换的弱毒性受到广泛关注。然而，全无机铅锡混合钙钛矿太阳能电池目前最佳效率仅有13.88%。全无机铅锡钙钛矿太阳能电池效率低主要原因在于在溶液法中锡基钙钛矿结晶速率过快导致pb、sn钙钛矿结晶不同步，最终引起pb-sn混合钙钛矿结晶质量下降；其次，csi在dmf与dmso中低溶解性限制了无机铅锡钙钛矿薄膜的厚度，锡铅钙钛矿中高载流子寿命的优势并没有完全发挥出来。最后，由于铅锡钙钛矿带隙可调，单一sn与pb比例的钙钛矿的吸收光谱过窄。

2、现阶段解决上述问题的方法主要是蒸镀法制备级联的钙钛矿太阳能电池，由于级联的钙钛矿太阳能电池的带隙可调，其吸收光谱更宽，对光的利用率更高，能够一定程度上提高器件的开路电压，使得器件整体性能提升。此外，鉴于铅锡钙钛矿中随着锡含量的增加，钙钛矿偏空穴行为更明显，在一定程度上替代了空穴传输层的目的。目前级联钙钛矿太阳能电池的吸光层一般采用旋涂法制备，但是需要空穴传输层进行连接，导致器件结构复杂且工艺繁琐。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，其制备的无机铅锡钙钛矿薄膜的质量要高于溶液法，在蒸镀过程中通过调整pbi2与sni2的比例来调整无机铅锡钙钛矿的带隙，拓宽器件的吸收光谱，从而提升无机铅锡混合钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。

2、本发明通过下述技术方案实现：基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，包括下述步骤：

3、s1、对导电基底做紫外臭氧处理，再采用磁控溅射的方法制备电子传输层，而后进行退火处理；

4、s2、使用共混蒸工艺以不同速率将csi、pbi2与sni2蒸镀到电子传输层上，而后进行退火处理，形成钙钛矿层；分别将csi、pbi2与sni2送入蒸发源a、b、c中通过调整蒸发源a、b、c的蒸镀速率来制备具有能带梯度的无机铅锡钙钛矿，蒸镀完成进行退火处理，形成钙钛矿层；

5、s3、采用旋涂法在钙钛矿层上制备缓冲层，所述缓冲层厚度为10~20nm（优选的为15nm）；

6、s4、在缓冲层上利用热蒸镀制备金属电极，得到所述具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池（又称为具有能带梯度的无机铅锡钙钛矿太阳能电池）。

7、进一步为更好地实现本发明所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，特别采用下述设置方式：所述导电基底包括基板和透明电极；所述透明电极选自氧化铟锡。

8、进一步为更好地实现本发明所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，特别采用下述设置方式：所述电子传输层的材料为氧化锡。

9、进一步为更好地实现本发明所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，特别采用下述设置方式：所述步骤s1中，在对导电基底做紫外臭氧处理时，在真空度小于6×10-4pa的环境下氩气气流量为100~300sccm（优选的100sccm）；在进行磁控溅射时：溅射速率为0.2~0.4å s-1（优选的为0.3å s-1），溅射时长为15~30min（优选的为20min）；退火温度为300~350℃（优选的为300℃），退火时间10~30min（优选的为30min）。

10、进一步为更好地实现本发明所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，特别采用下述设置方式：所述钙钛矿层的材料为abx3型钙钛矿，其中a为铯；b为铅和锡；x为碘；所述钙钛矿层的具体结构为：cspbi3/cspb0.7sn0.3i3/cspb0.3sn00.7i3/cssni3，且各层的厚度均为100~200nm（优选为150nm）。

11、进一步为更好地实现本发明所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，特别采用下述设置方式：所述步骤s2具体步骤为：

12、s2.1、将csi、pbi2与sni2分别放入蒸发源a、b、c中；

13、而后采用四步蒸镀法进行蒸镀：

14、s2.2（第一步）、打开蒸发源a、b，使蒸发源a蒸镀速率为0.58~0.63å s-1，蒸发源b蒸镀速率为0.75~0.8å s-1，蒸镀时间为10~30min；

15、s2.3（第二步）、打开蒸发源c，使其蒸镀速率为0.2~0.25å s-1，蒸发源a的速率不变，蒸发源b的蒸镀速率降低为0.52~0.57å s-1，蒸镀时间为10~30min；

16、s2.4（第三步）、蒸发源a的蒸镀速率不变，蒸发源b的蒸镀速率降低为0.22~0.27ås-1，蒸发源c的蒸镀速率提高为0.5~0.55å s-1，蒸镀时间为10~30min；

17、s2.5（第四步）、蒸发源a速度保持不变，关闭蒸发源b，将蒸发源c的蒸镀速率提高为0.75~0.8å s-1，蒸镀时间为3~6min；

18、s2.6、完成后随即进行退火，退火温度为300~350℃（优选的为340℃），退火时间为10~30分钟（优选的为10min）。

19、进一步为更好地实现本发明所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，特别采用下述设置方式：所述缓冲层的材料为聚乙烯亚胺。

20、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

21、本发明采用混蒸的工艺，通过在蒸镀过程中调整sn元素的比例，省去了空穴传输层的制备，使若干具有不同能带宽度的钙钛矿薄膜垂直排列，拓宽了器件的吸收光谱，提高了器件的开路电压，从而提高了器件的能量转换效率。

22、本发明采用混蒸的工艺，通过蒸镀方法制备出的无机铅锡钙钛矿薄膜（钙钛矿层）与旋涂法相比缺陷更少、表面更为平整且薄膜厚度可控，促使钙钛矿对近红外光的吸收更充分。

23、本发明在电子传输层制备过程与钙钛矿光活性层制备过程在磁控溅射以及蒸镀设备中进行，工艺更为稳定，重复性更高，也可以推广至大面积钙钛矿太阳能电池器件的制备。

24、本发明通过混蒸的工艺制备了具有能带梯度的无机铅锡钙钛矿薄膜，这种能带梯度不仅能实现p型空穴传输层的功能，也可通过扩宽能带来扩展吸收光波长的范围来提高光吸收效率，提高钙钛矿太阳能电池的性能。

技术特征：

1.基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于：包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于：所述导电基底包括基板和透明电极。

3.如权利要求1所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于：所述电子传输层的材料为氧化锡。

4. 根据权利要求1所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤s1中，在对导电基底做紫外臭氧处理时，氩气气流量为100~300sccm；在进行磁控溅射时：溅射速率为0.2~0.4å s-1，溅射时长为15~30min。

5.根据权利要求1所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于：所述钙钛矿层的材料为abx3型钙钛矿，其中a为铯；b为铅和锡；x为碘。

6.根据权利要求1所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤s2具体步骤为：

7.根据权利要求1所述的基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于：所述缓冲层的材料为聚乙烯亚胺。

技术总结
本发明公开了基于混蒸工艺具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池制备方法，其制备的无机铅锡钙钛矿薄膜的质量要高于溶液法，在蒸镀过程中通过调整PbI<subgt;2</subgt;与SnI<subgt;2</subgt;的比例来调整无机铅锡钙钛矿的带隙，拓宽器件的吸收光谱，从而提升无机铅锡混合钙钛矿太阳能电池的光电转化效率，包括下述步骤：首先对导电基底做紫外臭氧处理，再采用磁控溅射的方法制备电子传输层，而后进行退火处理；然后使用共混蒸工艺以不同速率将CsI、SnI<subgt;2</subgt;与PbI<subgt;2</subgt;蒸镀到电子传输层上，而后进行退火处理，形成钙钛矿层；之后采用旋涂法或蒸镀法在钙钛矿层上制备缓冲层，所述缓冲层厚度为15nm；最后在缓冲层上利用热蒸镀制备金属电极，得到所述具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池。

技术研发人员：李世彬,翟亚辉,钱峰,郑华琳,张婷
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13