一種使用化學氣相沉積法制備鈣鈦礦薄膜太陽能電池的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能電池，特別涉及一種使用化學氣相沉積法制備鈣鈦礦薄膜太陽能電池的方法。
【背景技術】
[0002]在過去的幾年中，低成本、高效率的鹵化鉛鈣鈦礦薄膜太陽能電池的快速發(fā)展引發(fā)了人們對鈣鈦礦太陽能電池的高度關注。在短短四年中，這類太陽能電池的能量轉換效率(PCE)從3.8%增加到19.3%，使其在效率方面可以與商業(yè)化的晶體硅太陽電池相媲美。而CH3NH3PbI#P CH3NH3PbI3 XC1X#鹵化鉛鈣鈦礦材料，由于其具有優(yōu)異的光學和電學性質已經(jīng)成為制備低成本、高效率的太陽能電池的優(yōu)選材料。眾所周知鈣鈦礦材料根據(jù)不同的金屬鹵化物框架和有機組成部分可以有很多不同的成分和結構，這在很大程度上影響鈣鈦礦薄膜的性能。
[0003]目前，有兩種比較普遍的方法制備鈣鈦礦太陽能電池，如利用溶液沉積法和氣相蒸發(fā)法可以分別用來制備介孔和平面異質結鈣鈦礦太陽能電池。溶液法雖然制備方法比較簡單，但是需要旋涂，制備大尺度器件比較有挑戰(zhàn)。而氣相法由于一般需要高真空環(huán)境，成本比較高。

【發(fā)明內容】

[0004]為克服上述技術缺陷，本發(fā)明公開了一種使用化學氣相沉積法制備鈣鈦礦薄膜太陽能電池的方法，該方法操作簡單、鈣鈦礦薄膜晶粒大、晶界少、均勻性好且表面覆蓋好。
[0005]本發(fā)明的技術方案如下:一種使用化學氣相沉積法制備鈣鈦礦薄膜太陽能電池的方法，其特征在于包括如下步驟:
[0006](1)對襯底進行預處理；
[0007](2)在預處理后的襯底表面涂覆Ti02致密層；
[0008](3)將甲基碘化胺和鹵化鉛分別放入兩個坩禍中并置于管式爐上風口，涂覆有Ti02致密層的襯底置于管式爐下風口，甲基碘化胺和鹵化鉛兩種反應源同時蒸發(fā)成為氣相反應源，通過惰性氣體運載氣相反應源至襯底，加熱襯底完成反應，獲得鈣鈦礦材料層；
[0009](4)在鈣鈦礦材料層上旋涂制備spiro-0MeTAD(2，2’，7，7’-四[N，N_ 二(4-甲氧基苯基)氨基]_9，9’ -螺二芴)太陽能電池空穴傳輸層；
[0010](5)將步驟(1)-(4)制備的器件烘干，完成陰極金屬電極沉積，得到鈣鈦礦薄膜太陽能電池。
[0011]所述步驟⑴中襯底為FT0導電玻璃。
[0012]所述步驟(1)中預處理方法為，首先使用氬離子減薄儀減小FT0襯底的表面粗糙度；其次將襯底依次浸入丙酮、聚乙二醇單辛基苯基醚去離子水溶液中采用超聲處理；再次將襯底使用去離子水沖洗并放入異丙醇中超聲處理；最后使用去離子水清洗襯底，放入去離子水中超聲處理并風干。
[0013]所述步驟(2)中涂覆方法為，首先在襯底表面旋轉涂布兩次形成70-90納米厚的Ti02致密層，兩次使用的旋涂液分別為0.15mol/L和0.3mol/L的二(乙酰丙酮基)鈦酸二異丙酯的異丙醇溶液；其次將襯底烘干后，襯底在空氣中進行燒結；然后在TiClyK溶液中浸泡；最后使用去離子水沖洗后在空氣中退火，形成致密的η型層狀Ti02。
[0014]所述步驟(3)中鹵化鉛為氯化鉛或碘化鉛。
[0015]所述步驟(5)中，將管式爐上風口的甲基碘化胺加熱至溫度為115-125°C，將氯化鉛加熱至350-370°C，將碘化鉛加熱至290-310°C，將管式爐下風口的襯底加熱至80°C，30分鐘后在管式爐的下風口使用100°C原位退火60分鐘。
[0016]所述步驟(4)將spiro-OMeTAD在2000-4000轉/分的速率下旋涂20-60秒，其中旋涂溶液為spiro/氯苯溶液，添加劑為雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰/乙腈溶液和和4-叔丁基吡啶。
[0017]于所述旋涂速率為3000轉/分，旋涂時間為40秒；Spir0/氯苯溶液濃度為80mg/ml，添加濃度為500mg/ml的雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰/乙腈溶液17.5ml，添加28.5ml 4-叔丁基吡啶。
[0018]所述步驟(5)中，將旋涂好的器件放置在干燥箱12小時，并使用真空熱蒸發(fā)方法鍍上背面金電極，完成陰極沉積。
[0019]本發(fā)明的有益效果為:
[0020](1)本發(fā)明利用簡單的氣相運輸方法，開發(fā)了一種簡單的一步的化學氣相沉積(CVD)法，不依賴高真空設備來制備鹵化物鈣鈦礦太陽能電池，使其能量轉化效率超過11% ；
[0021](2)本發(fā)明的鈣鈦礦層采用同時蒸發(fā)兩種不同的反應源，然后使用氬氣作為運輸氣體，使其混合和轉移到襯板上，通過一步流程，形成具有良好的表面覆蓋、大晶粒、長載流子壽命和無針孔漏洞的薄膜；
[0022](3)本發(fā)明的鈣鈦礦薄膜晶粒大、晶界少、均勻性好且表面覆蓋性好，可以減少電子和空穴的復合，獲得較高開路電壓，無針狀小孔，抑制了短路從而獲得高的填充因子。
【附圖說明】
[0023]圖1是使用管式爐制備鈣鈦礦薄膜示意圖，區(qū)域1為上風口，區(qū)域2為下風口:
[0024]圖2是X射線衍射圖譜(XRD)，分別來自FT0、覆蓋1102薄膜的FT0襯底、CH3NH3PbI3 XC1X和 CH 3NH3PbI3；
[0025]圖3為鈣鈦礦薄膜的掃描電鏡(SEM)形貌圖；
[0026]圖4為鈣鈦礦太陽能電池掃描電鏡(SEM)截面圖；
[0027]圖5為鈣鈦礦太陽能電池電流密度-電壓(J-V)曲線。
【具體實施方式】
[0028]下面將通過具體實施例對本發(fā)明作進一步闡述。
[0029]本發(fā)明通過如下步驟制備鈣鈦礦薄膜太陽能電池:
[0030](1)對襯底進行預處理；
[0031]襯底為FT0導電玻璃，本實施例中FT0導電玻璃產(chǎn)于美國HARTFORD GLASS公司，具有8歐姆薄層電阻。
[0032]首先使用氬離子減薄儀在1KV (千伏)電壓和75度入射角條件下工作10分鐘，用以減小FT0沉底的表面粗糙度；其次將襯底依次浸入在丙酮中，包含體積分數(shù)百分之三的聚乙二醇單辛基苯基醚(Triton X-100)去離子水溶液(Milipore，18ΜΩ-cm)，并且在以上每種溶液中超聲處理30分鐘；再次將襯底使用去離子水沖洗并放入異丙醇超聲處理30分鐘；最后使用去離子水清洗襯底，放入去離子水中超聲處理30分鐘，最后使用空氣流風干。
[0033](2)在預處理后的襯底表面涂覆Ti02致密層；
[0034]所述步驟(2)中涂覆方法為，首先在襯底表面旋轉涂布兩次形成80納米厚的Ti02致密層，兩次使用的旋涂液分別為0.15mol/L和0.3mol/L的二(乙酰丙酮基)鈦酸二異丙酯的異丙醇溶液；其次襯底在150°C烘干10分鐘后，在550°C空氣中燒結30分鐘；然后在70°C的50mM(毫摩爾)TiCl4水溶液中浸泡30分鐘；最后使用去離子水沖洗后在550°C空氣中退火，形成致密的η型層狀Ti02 (c-Ti02)。
[0035](3)將甲基碘化胺(MAI)和鹵化鉛分別放入兩個坩禍中并置于管式爐上風口，涂覆有Ti02致密層的襯底置于管式爐下風口，甲基碘化胺和鹵化鉛兩種反應源同時蒸發(fā)成為氣相反應源，通過惰性氣體運載氣相反應源至襯底，加熱襯底完成反應，獲得鈣鈦礦材料層；
[0036]所述步驟(3)中，將管式爐上風口的甲基碘化胺加熱至溫度為115-125°C，將氯化鉛加熱至3