一种结晶性调控制备环境稳定性钙钛矿薄膜的方法

本发明涉及薄膜制备技术和太阳能电池制备，具体涉及一种结晶性调控制备环境稳定性钙钛矿薄膜的方法。

背景技术：

1、近年来，有机—无机杂化钙钛矿材料凭借其高的光吸收系数、可调的带隙、长的载流子扩散长度等优势备受关注。基于钙钛矿材料的钙钛矿太阳电池的光电转换效率近几年突飞猛进，已超过26％。钙钛矿薄膜质量直接影响着太阳电池的性能参数及器件稳定性。控制钙钛矿的结晶动力学过程，提升结晶性，增大晶粒尺寸，降低钙钛矿薄膜的缺陷密度，是获得性能优异的钙钛矿太阳电池的有效方法。目前调控钙钛矿结晶动力学的方法有气相辅助和真空闪蒸法等。发展新型的钙钛矿结晶动力学调控方法，控制薄膜结晶生长过程，提升薄膜质量，进而提高太阳电池性能仍是亟待开发的技术。

2、有发明人设计了一种可加载静电场的钙钛矿薄膜制备装置，通过在上、下电极施加静电场作用于钙钛矿薄膜固化结晶阶段，制备获得结晶质量高、表面平整的钙钛矿薄膜(专利公开号cn105256374a，cn110518130a)，进一步有研究者将此方法应用于钙钛矿太阳电池的制备工艺中(wang等人，sustain.energyfuels 2022,6,第1121-1130页)。此外，还发展了电场调控钙钛矿成膜过程中晶粒二次生长，制备高结晶度钙钛矿薄膜的方法(专利公开号cn110518130a)。电场可诱导钙钛矿薄膜中的离子迁移，钝化钙钛矿薄膜中的缺陷态，降低缺陷态密度(du等人，j.phys.chem.lett.2021,12,第7106-7112页)。已报道的电场作用于钙钛矿薄膜的研究中，所加载的电场的方向均垂直于薄膜表面。

3、基于此，本发明人采用平行于钙钛矿薄膜表面的空间电场调控薄膜退火过程中钙钛矿的结晶性，研究结果表明空间电场调控制备的钙钛矿薄膜的结晶性提升，薄膜的环境稳定性增强。采用所述方法制备的钙钛矿太阳电池器件的光电转换效率得到了明显提升，器件稳定性增强，为制备高性能的钙钛矿太阳电池提供了一种新的技术方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种结晶性调控制备环境稳定性钙钛矿薄膜的方法，无需采用溶液相通过化学添加剂调控钙钛矿薄膜的性能；其具体是通过在钙钛矿薄膜退火过程中加载平行于薄膜表面的空间电场，通过电场强度、电场类型和作用时间调节钙钛矿薄膜的结晶环境和结晶动力学，提高钙钛矿材料的结晶度，增大晶粒尺寸，增强薄膜的环境稳定性，获得高质量钙钛矿薄膜。

2、为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

3、一种结晶性调控制备环境稳定性钙钛矿薄膜的方法，所述方法如下：

4、配置钙钛矿前驱体溶液，采用旋涂法于导电基底上制备钙钛矿液态膜；将所述的钙钛矿液态膜的基底放置于可加热基板上，且基底置于两电极片之间；升温可加热基板至一定温度，对钙钛矿液态膜进行退火处理；同时，在两电极片上施加电压，使薄膜处于平行于表面的空间电场中，调控钙钛矿结晶环境制备钙钛矿薄膜。

5、本申请通过向退火处理的钙钛矿液态膜施加平行于薄膜表面的空间电场，调控钙钛矿结晶环境，影响晶体结晶动力学，获得环境稳定的高质量钙钛矿薄膜；此方法制得的钙钛矿太阳电池器件的光电转换效率和稳定性也得到提升。

6、根据本发明，所述方法中，配置钙钛矿前驱体溶液后，通过一步旋涂法或两步旋涂法制备钙钛矿液态膜。

7、根据本发明，所述方法中，所述钙钛矿液态膜为有机-无机杂化钙钛矿和全无机钙钛矿。

8、根据本发明，所述方法中，涂覆钙钛矿液态膜的基底放置于可加热板上，基底两侧为两电极片，电极片与加热板不接触，与基底的水平距离为0.5-2.0mm之间。

9、根据本发明，所述方法中对钙钛矿液态膜进行退火处理具体步骤如下：

10、步骤一：将加热基板升温至50-80℃，预退火3-6分钟，完成钙钛矿液态膜的预退火处理；

11、步骤二：将加热基板继续升温至110-160℃，升温过程中钙钛矿液态膜不参与退火；

12、步骤三：升温结束后，在两电极片上加载不同的电压，产生平行于薄膜表面的空间电场；

13、步骤四：在空间电场作用下，钙钛矿液态膜退火10-15分钟，制得钙钛矿薄膜。

14、根据本发明，所述钙钛矿液态膜退火处理步骤中，电极片的材质可为不锈钢或铜等导电性良好的合金或金属。

15、根据本发明，所述钙钛矿液态膜退火处理步骤中，所述电压为脉冲电压，其脉冲电压的高电平不高于120v，即基底钙钛矿表面电场强度0-100v/cm，脉冲电压为矩形脉冲，其输出频率为50-2000hz。

16、根据本发明，实施本方法步骤后，即得到环境稳定性优异的钙钛矿薄膜。

17、本发明的有益效果：

18、1.本发明所提出的平行于薄膜表面的空间电场调控钙钛矿结晶环境制备结晶度高、环境稳定性钙钛矿薄膜的方法，不使用化学添加剂，技术简单易行，可复制性强。

19、2.经本发明空间电场处理的钙钛矿薄膜晶粒结晶度更高、晶粒尺寸更大、环境稳定性更好，其制备的钙钛矿太阳电池具有更高的光电转换效率，更好的稳定性，展示出了该方法对提升钙钛矿薄膜性能和太阳电池性能方面的有效性。

技术特征：

1.一种结晶性调控制备环境稳定性钙钛矿薄膜的方法，其特征在于：配置钙钛矿前驱体溶液，采用旋涂法于导电基底上制备钙钛矿液态膜；将所述的钙钛矿液态膜的基底放置于可加热基板上，且基底置于两电极片之间；升温可加热基板至一定温度，对钙钛矿液态膜进行退火处理；同时，在两电极片上施加电压，使薄膜处于平行于表面的空间电场中，调控钙钛矿结晶环境制备钙钛矿薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种结晶性调控制备环境稳定性钙钛矿薄膜的方法，其特征在于：所述的钙钛矿前驱体溶液在配置后，通过一步旋涂法或两步旋涂法制备钙钛矿液态膜。

3.根据权利要求1所述的一种结晶性调控制备环境稳定性钙钛矿薄膜的方法，其特征在于：所述的钙钛矿液态膜为有机—无机杂化钙钛矿和全无机钙钛矿。

4.根据权利要求1所述的一种结晶性调控制备环境稳定性钙钛矿薄膜的方法，其特征在于：所述的电极片与加热板不接触，与基底的水平距离为0.5-2.0mm之间。

5.根据权利要求1所述的一种结晶性调控制备环境稳定性钙钛矿薄膜的方法，其特征在于：所述的对钙钛矿液态膜进行退火处理具体步骤如下：

6.根据权利要求5所述的钙钛矿液态膜退火处理过程，其特征在于：所述电极片的材质可为不锈钢或铜等导电性良好的合金或金属。

7.根据权利要求5所述的钙钛矿液态膜退火处理过程，其特征在于：所述的电压为脉冲电压，其脉冲电压的高电平不高于120v，即基底钙钛矿表面电场强度0-100v/cm，脉冲电压为矩形脉冲，其输出频率可以为50-2000hz。

8.一种结晶性调控制备环境稳定性钙钛矿薄膜的方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述步骤制备的钙钛矿薄膜结晶度高、晶粒尺寸大、形貌更平整，有显著的环境稳定性增强的特点，由此方法制备的电池器件光电性能提高。

技术总结
本发明提供了一种结晶性调控制备环境稳定性钙钛矿薄膜的方法，涉及薄膜制备技术和太阳能电池制备技术领域，其特征在于，钙钛矿液态膜在退火处理过程中，加载平行于薄膜表面的脉冲电场，通过调控平行脉冲电场的强度，实现环境稳定的钙钛矿薄膜制备。本发明将钙钛矿液态膜置于两电极片之间，液态膜退火处理时电极片加载脉冲电压，获得平行于薄膜表面的空间电场，电场强度0‑100V/cm，频率50‑2000Hz，该空间电场调节钙钛矿薄膜的结晶环境和结晶动力学，提高钙钛矿材料的结晶度，增大晶粒尺寸，增强薄膜的环境稳定性，获得用于太阳电池的高质量钙钛矿薄膜。本发明具有简单易行、条件可控、重复准确性高等优点。

技术研发人员：李海方,李美成,朱鹏鲲,王奕淇,邹城,欧兴桂,李骁涵
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15