一种基于磁控溅射钙钛矿光吸收层的光伏器件的制备方法

1.本发明涉及薄膜太阳能电池材料及器件领域，具体涉及一种基于磁控溅射钙钛矿光吸收层的光伏器件的制备方法。


背景技术：

2.目前，由于工业的迅猛发展，化石能源的消耗量与日俱增，急需寻找其它可替代能源。太阳能作为一种环境友好型，可持续能源而被广泛关注，然而太阳能电池能够直接将太阳能转换为电能，到目前为止，光伏器件可分为：第一代晶硅太阳能电池：单晶硅、多晶硅；第二代薄膜太阳能电池：cigs、非晶硅；第三代新型太阳能电池：染料敏化、有机、钙钛矿电池。
3.在众多的光伏器件中，钙钛矿太阳能电池作为第三代新型太阳能电池由于具有成本低和制备工艺简单等优点而得到了迅速的发展，其效率而晶硅太阳能电池相当，但目前常见的钙钛矿光伏器件中钙钛矿薄膜的沉积方法为旋涂法，旋涂法很难制备高质量的大面积薄膜，磁控溅射作为一种成熟的薄膜制备技术，已被广泛用于制备金属，金属氧化物和半导体薄膜，在制备pscs方面具有很大的应用潜力，使用磁控溅射技术制备钙钛矿光伏器件能够实现成分可控、无溶剂、操作简单、可以解决大面积均匀性、溶液法粗糙孔洞等问题，从而可进行大面积制备和批量生产。同时磁控溅射沉积技术具有适形、致密、可实现低温制备沉积等特点，适用于在具有绒面结构的硅上制备叠层光伏器件。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于磁控溅射钙钛矿光吸收层的光伏器件的制备方法，其所述的钙钛矿光伏器件能够获得较高的光电性能以及优异的稳定性；所述制备方法能够进行钙钛矿光伏器件大面积制备和批量生产。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于磁控溅射钙钛矿光吸收层的光伏器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：
7.(1)将fto透明导电玻璃清洗、吹干；
8.(2)在fto透明导电玻璃上制备致密tio2和sno2电子传输层；
9.(3)在所述电子传输层上采用磁控溅射技术制备钙钛矿光吸收层；
10.(4)在所述的钙钛矿光吸收层上制备spiro-ometad空穴传输层；
11.(5)在所述空穴传输层上蒸镀ag作为顶电极，即得到所述光伏器件。
12.优选地，所述步骤(3)中，钙钛矿光吸收层的制备方法包括以下步骤：
13.(1)采用直流溅射金属pb靶，抽真空至2
×
10-4
pa，通过ar/o2混合气体，调节溅射功率和溅射压强，溅射3～5min，溅射结束后通入氮气，待溅射腔室气压为大气压时，取出，即得到pbo薄膜；
14.(2)将ch3nh3i粉末和pbo薄膜放置到管式炉中，抽真空至10pa，升温至145℃后进行
保温，反应结束后，待管式炉自然冷却至室温，取出样品，即得到mapbi3钙钛矿薄膜。
15.优选地，所述ar：o2的体积比为30：10～60：10。
16.优选地，所述溅射功率为15～50w，溅射腔室压强为0.2～0.8pa。
17.优选地，每200cm2的pbo薄膜需要5g ch3nh3i粉末。
18.优选地，所述保温时间为30～120min。
19.优选地，所述步骤(3)中，钙钛矿光吸收层的制备方法包括以下步骤：采用射频溅射直接溅射(cs
x
fayma
1-x-y
)pb(ibrcl)3钙钛矿靶材，抽真空至2
×
10-4
pa，通入氩气，调节溅射功率和溅射压强，溅射10～30min，溅射结束后通入氮气，待溅射腔室气压为大气压时，取出，即得到(cs
x
fayma
1-x-y
)pb(ibrcl)3钙钛矿薄膜，将制备的钙钛矿薄膜放置到加热台进行退火即得所述钙钛矿薄膜。
20.优选地，所述溅射功率为30～100w，溅射腔室压强为0.2～0.8pa。
21.优选地，所述退火温度为100～180℃。
22.优选地，所述电子传输层的厚度为30～50nm，所述光吸收层的厚度为300～500nm，所述空穴传输层的厚度为100～150nm，所述顶电极的厚度为80～130nm。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.1)磁控溅射制备钙钛矿薄膜能够实现成分可控，无溶剂，成本低廉、操作简单、可大面积制备和批量生产等优势，且可以解决大面积均匀性、溶液法粗糙孔洞等问题。
25.2)磁控溅射沉积技术具有适形、致密、可实现低温制备沉积等特点，适用于在具有绒面结构硅上制备叠层电池以及在柔性衬底上制备高质量薄膜。
26.3)本发明制备的钙钛矿电池首批电池光电效率达到13.09％，并表现出良好的长期稳定性。
附图说明
27.图1是本发明实施例1中pbo薄膜和mapbi3薄膜实物图；
28.图2是本发明实施例1中mapbi3钙钛矿薄膜的xrd图谱；
29.图3是本发明实施例1中mapbi3钙钛矿薄膜的uv-vis图谱；
30.图4是本发明实施例1中mapbi3钙钛矿薄膜的表面sem图谱；
31.图5是本发明实施例2中基于磁控溅射制备mapbi3钙钛矿薄膜的光伏器件截面sem图谱；
32.图6是本发明实施例2中基于磁控溅射制备mapbi3钙钛矿薄膜的光伏器件的j-v曲线。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.实施例1
35.mapbi3钙钛矿薄膜的磁控溅射沉积制备方法，包括如下步骤：
36.(1)pbo薄膜的制备：将纯度为金属pb靶固定在磁控溅射仪的阴极靶位上，使用直流溅射电源，抽真空至2
×
10-4
pa，调节溅射功率为15w，通入ar/o2体积比为50：10的混合气体，工作压强为0.3pa，溅射时间为3min，待溅射完后得到pbo薄膜，pbo薄膜的实物图如图1所示。
37.(2)mapbi3钙钛矿薄膜的制备：将装有少量ch3nh3i粉末的坩埚和pbo薄膜放置到管式炉中，采用原位化学气相沉积方法，将管式炉中的压强抽至10pa，将管式炉升温至145℃保温60min，即可得到黑褐色的mapbi3钙钛矿薄膜，mapbi3薄膜的实物图如图1所示，图2展示了mapbi3的xrd图谱，在14.07
°
、28.40
°
、31.82
°
出现三强峰，表明该薄膜为mapbi3薄膜；图3展示了钙钛矿薄膜的uv-vis图谱，可以看出该薄膜的吸收边为779nm，光学带隙为1.59ev，图4展示了mapbi3薄膜的表面sem图，可以看出制备的薄膜光滑致密、无孔洞出现。
38.实施例2
39.mapbi3钙钛矿太阳能电池的截面sem如图5所示，是以fto为基底，从下到上分别是tio2，sno2电子传输层，mapbi3光吸收层，spiro-ometad空穴传输层和ag电极，具体制备方法为：
40.(1)fto基底清洗：将fto涂层玻璃切割成20
×
15mm的小块，在一侧5
×
15mm区域的表面先铺上锌粉，再滴hcl溶液，利用hcl与锌粉之间的反应刻蚀去除fto涂层，露出玻璃基底，刻蚀结束后，将基底依次用含洗涤剂的去离子水、丙酮和无水乙醇超声清洗20min，并且每次超声结束后均用去离子水冲洗及n2吹干。最后使用紫外-臭氧清洗机处理20min，得到清洁的fto导电玻璃。
41.(2)致密tio2电子传输层制备：取1g75％双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯异丙醇溶液(wt％)加入到10.3g正丁醇中形成0.15mol/l的tio2前驱体溶液，并搅拌1h，然后将稀释液旋涂到含有fto的玻璃基底上，控制匀胶机转速为2000rpm，时间为30s，旋涂后将其放置到135℃的恒温加热台上干燥15min，然后放置马弗炉中500℃退火30min。
42.(3)sno2电子传输层制备：将sno2的15wt％水胶体分散液用去离子水稀释，稀释比例为1：6，并将稀释液放置恒温搅拌台上常温搅拌40分钟，然后将稀释液旋涂到tio2薄膜上，控制匀胶机转速为3000rpm，时间为30s，旋涂后将其放置到150℃的恒温加热台上退火30min。
43.(4)钙钛矿光吸收层制备：将纯度为金属pb靶固定在磁控溅射仪的阴极靶位上，使用直流溅射电源，抽真空至2
×
10-4
pa，调节溅射功率为15w，通入体积比为50：10的ar:o2混合气体，工作压强为0.3pa，溅射时间为3min，待溅射完后得到pbo薄膜，然后将装有少量ch3nh3i粉末的坩埚和pbo薄膜放置到管式炉中，采用原位化学气相沉积方法，将管式炉中的压强抽至10pa，将管式炉升温至145℃保温60min，即可得到黑褐色的mapbi3钙钛矿薄膜，并将制备的mapbi3薄膜浸泡到异丙醇中放置10s，并放置到100℃的加热台上干燥10min。
44.(5)空穴传输层制备：将匀胶机速度调至4000rpm，时间为30s，旋转过程中滴加一滴spiro-ometad溶液，无需退火，用dmf擦去刻蚀的另一边5mm区域，放置在干燥柜里氧化一夜。
45.(6)ag电极的制备：将制备的器件放置到热蒸发镀膜仪中，将ag粒放入钨舟中，抽真空至3
×
10-4
pa，开始加热蒸发，蒸发速率为最后蒸镀的ag的厚度约为100-120nm。
46.如图6所示，经测试，本实验得的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为13.09％。
47.实施例3
48.(cs
x
fayma
1-x-y
)pb(ibrcl)3钙钛矿薄膜的磁控溅射沉积制备方法，包括如下步骤：
49.(1)将(cs
x
fayma
1-x-y
)pb(ibrcl)3靶材安装在阴极靶位上，使用射频溅射电源，抽真空至2
×
10-4
pa，调节溅射功率为60w，通入ar气体，工作压强为0.4pa，溅射时间为15min，得到(cs
x
fayma
1-x-y
)pb(ibrcl)3薄膜。
50.(2)将(cs
x
fayma
1-x-y
)pb(ibrcl)3薄膜放置到管式炉中，升温至120℃，获得高质量的钙钛矿薄膜。
51.实施例4
52.本实施例按照实施例1相同的方法制备mapbi3钙钛矿薄膜，区别仅在于步骤(1)中的ar：o2体积比为40：10。
53.实施例5
54.本实施例按照实施例1相同的方法制备mapbi3钙钛矿薄膜，区别仅在于步骤(1)中的ar：o2体积比为30：10。
55.实施例6
56.本实施例按照实施例1相同的方法制备mapbi3钙钛矿薄膜，区别仅在于步骤(2)中的保温时间为70min。
57.实施例7
58.本实施例按照实施例1相同的方法制备mapbi3钙钛矿薄膜，区别仅在于步骤(2)中的保温时间为80min。
59.实施例8
60.本实施例按照实施例3相同的方法制备(cs
x
fayma
1-x-y
)pb(ibrcl)3钙钛矿薄膜，区别仅在于步骤(1)中的溅射功率为80w。
61.以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。