本發(fā)明屬于光電材料與器件，特別涉及一種通過加入小離子消除鈣鈦礦薄膜中應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境問題日益嚴(yán)重，開發(fā)高效、清潔、可再生能源已成為全球研究的重要課題。太陽能因其清潔、可持續(xù)的特點(diǎn)，被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)化石能源的最佳選擇之一。而鈣鈦礦太陽能電池作為新一代光伏技術(shù)，因其高光電轉(zhuǎn)化效率、低成本和可簡單制備等優(yōu)勢，近年來受到了廣泛關(guān)注和研究。自2009年首次被報(bào)道以來，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)從3.8％迅速提升至25％以上。然而，鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，其中鈣鈦礦薄膜中的應(yīng)力問題是影響其穩(wěn)定性和性能的關(guān)鍵因素之一。

2、鈣鈦礦薄膜中的應(yīng)力主要來源于薄膜在沉積和退火過程中，由于材料的膨脹系數(shù)差異或晶體生長過程中的不均勻性而產(chǎn)生。應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致薄膜開裂、晶界缺陷增多，進(jìn)而影響鈣鈦礦晶體的穩(wěn)定性，降低器件的光電轉(zhuǎn)換效率，縮短器件的使用壽命。因此，如何有效消除鈣鈦礦薄膜中的應(yīng)力，成為提升鈣鈦礦太陽能電池性能和穩(wěn)定性的一個(gè)重要研究方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種通過引入小離子消除鈣鈦礦薄膜中應(yīng)力的方法，通過在鈣鈦礦薄膜制備過程中引入小離子，有效調(diào)控薄膜中的應(yīng)力分布，制備出的薄膜表面平整致密、缺陷態(tài)密度低，從而改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，降低缺陷態(tài)密度，提高光電轉(zhuǎn)換效率和器件長期穩(wěn)定性。所制備的鈣鈦礦太陽能電池具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性和抗環(huán)境侵蝕能力。

2、本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。

3、本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)將fto玻璃基板清洗干凈，干燥后用紫外臭氧處理；

5、(2)按照摩爾比(1.5-1.6)：(1.2-1.4)：(0.3-0.5)：(0.01-0.2)將碘化鉛、甲脒氫碘酸鹽、甲胺鹽酸鹽和甲胺鉛三溴單晶溶解于混合溶劑中，得到鈣鈦礦前驅(qū)體溶液；

6、(3)按照質(zhì)量比(10-30)：(1-10)：(5-20)：(10-100)將叔丁基吡啶、叔丁基吡啶-磺酰亞胺溶液、雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰溶液和2，2’，7，7’-四[n，n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’-螺二芴溶解于有機(jī)溶劑中，得到空穴傳輸層前驅(qū)體溶液；

7、(4)在清洗處理后的fto玻璃基板上通過化學(xué)浴沉積方法制備sno2電子傳輸層；

8、(5)在沉積有電子傳輸材料的fto透明導(dǎo)電玻璃上，將碘化鍺加入鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中，采用旋涂法旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液；再采用反溶劑法旋涂，經(jīng)過退火得到鈣鈦礦層；

9、(6)將沉積有鈣鈦礦層的fto透明導(dǎo)電玻璃上旋涂空穴傳輸層前驅(qū)體溶液，得到涂覆在鈣鈦礦層上的空穴傳輸層；

10、(7)在沉積有空穴傳輸層的fto透明導(dǎo)電玻璃上熱蒸鍍金屬電極，得到鈣鈦礦太陽能電池。

11、作為優(yōu)選，所述混合溶劑為n，n-二甲基甲酰胺/二甲基亞砜按照質(zhì)量比為(5-10)：(1-10)混合制備而成。

12、作為優(yōu)選，所述叔丁基吡啶-磺酰亞胺溶液為按照質(zhì)量比為50-100mg三(2-(1h-吡唑-1-基)-4-叔丁基吡啶)鈷(iii)三[雙(三氟甲烷)磺酰亞胺]溶于100-1000μl乙腈中配制而成。

13、作為優(yōu)選，所述有機(jī)溶劑為氯苯氯苯、苯甲醚或乙酸乙酯中的一種或幾種。

14、作為優(yōu)選，所述步驟(5)中，采用旋涂法旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，包括：采用紫外臭氧處理沉積有電子傳輸材料的fto透明導(dǎo)電玻璃，將鈣鈦礦前驅(qū)液在氮?dú)鈿夥罩?，采用旋涂法以低?000～2000rpm旋轉(zhuǎn)10～20秒，然后以高速5000～7000rpm旋轉(zhuǎn)20～40秒。

15、作為優(yōu)選，所述步驟(5)中，采用反溶劑法旋涂、退火，包括：

16、在最后15秒滴加無水醚作為抗溶劑，將鈣鈦礦薄膜陳化后在100～150℃下退火0.5～3小時(shí)；冷卻至室溫，使用碘酸鹽溶液以轉(zhuǎn)速為3000～5000rpm旋涂30～60秒，并立即在100～150℃下退火5～8分鐘。

17、作為優(yōu)選，所述碘酸鹽溶液為正辛基胺氫碘酸鹽或4-甲氧基苯乙基碘化銨溶解于異丙醇，濃度為3.5-4mg/ml。

18、作為優(yōu)選，所述步驟(6)中，將沉積有鈣鈦礦層的fto透明導(dǎo)電玻璃上以4000～6000rpm旋涂空穴傳輸層前驅(qū)體溶液20～60秒；

19、所述步驟(7)中，在沉積有空穴傳輸層的fto透明導(dǎo)電玻璃上熱蒸鍍金屬電極為金電極，厚度為100～200nm。

20、本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種所述方法制備得到的消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池。

21、本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下有益效果：

22、1.有效消除薄膜中的應(yīng)力：通過在鈣鈦礦前驅(qū)液中引入適量的小離子(如鋰離子、鉀離子等)，小離子能夠在鈣鈦礦薄膜形成過程中進(jìn)入晶格或位于晶界處，顯著調(diào)控薄膜中的應(yīng)力分布。這樣可以有效減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免薄膜開裂和晶界缺陷的產(chǎn)生，從而提升鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。通過減少應(yīng)力導(dǎo)致的晶體缺陷，薄膜的表面變得更加平整致密，顯著提升了薄膜的穩(wěn)定性。

23、2.提升光電轉(zhuǎn)換效率和器件穩(wěn)定性：本發(fā)明通過引入小離子不僅改善了鈣鈦礦薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，降低了缺陷態(tài)密度，還增強(qiáng)了薄膜與電子傳輸層的界面接觸性能。這些改進(jìn)使得鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有了明顯的提升。此外，器件的長期穩(wěn)定性也得到了顯著改善，能夠在光、熱、濕等極端環(huán)境下保持優(yōu)異的性能表現(xiàn)，適合長期使用。

24、3.工藝簡單易行，適合大規(guī)模生產(chǎn)：本發(fā)明所提出的加入小離子的方法工藝簡單，易于操作，適合大規(guī)模制備。相比其他復(fù)雜的應(yīng)力控制方法，使用小離子調(diào)控應(yīng)力的方式成本較低，且適用性強(qiáng)。該方法不僅適用于鈣鈦礦太陽能電池，還可用于其他類型的鈣鈦礦光電器件的制備，具備廣泛的應(yīng)用前景。

25、4.器件表現(xiàn)優(yōu)異，具備商業(yè)化潛力：通過該方法制備的鈣鈦礦太陽能電池，具有更加致密的薄膜結(jié)構(gòu)和出色的光電性能，展現(xiàn)出優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性。這種方法不僅能夠提高實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的器件性能，更為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，極具市場潛力。

技術(shù)特征：

1.一種消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述混合溶劑為n，n-二甲基甲酰胺/二甲基亞砜按照體積比為(5-10)：(1-10)混合制備而成。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述叔丁基吡啶-磺酰亞胺溶液為按照質(zhì)量比為50-100mg三(2-(1h-吡唑-1-基)-4-叔丁基吡啶)鈷(iii)三[雙(三氟甲烷)磺酰亞胺]溶于100-1000μl乙腈中配制而成。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)溶劑為氯苯氯苯、苯甲醚或乙酸乙酯中的一種或幾種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)中，采用旋涂法旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，包括：采用紫外臭氧處理沉積有電子傳輸材料的fto透明導(dǎo)電玻璃，將鈣鈦礦前驅(qū)液在氮?dú)鈿夥罩?，采用旋涂法以低?000～2000rpm旋轉(zhuǎn)10～20秒，然后以高速5000～7000rpm旋轉(zhuǎn)20～40秒。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)中，采用反溶劑法旋涂、退火，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述碘酸鹽溶液為正辛基胺氫碘酸鹽或4-甲氧基苯乙基碘化銨溶解于異丙醇，濃度為3.5-4mg/ml。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述步驟(6)中，將沉積有鈣鈦礦層的fto透明導(dǎo)電玻璃上以4000～6000rpm旋涂空穴傳輸層前驅(qū)體溶液20～60秒；

9.一種如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述方法制備得到的消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池在光電領(lǐng)域中應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種消除鈣鈦礦薄膜應(yīng)力的鈣鈦礦太陽能電池及制備方法，屬于光電材料與器件領(lǐng)域。該發(fā)明在導(dǎo)電玻璃上旋涂沉積空穴傳輸層，通過化學(xué)浴沉積方法制備SnO<subgt;2</subgt;電子傳輸層；通過在鈣鈦礦薄膜的前驅(qū)液中加入特定的小離子，用旋涂法旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液；再采用反溶劑法旋涂退火得到鈣鈦礦層；再旋涂空穴傳輸層；熱蒸鍍金屬電極，得到鈣鈦礦太陽能電池。該方法將含有小離子的鈣鈦礦前驅(qū)液沉積在已沉積完空穴傳輸層的導(dǎo)電基底上，制備出應(yīng)力釋放效果顯著的鈣鈦礦薄膜，薄膜表面平整致密、缺陷態(tài)密度低，所制備的鈣鈦礦太陽能電池具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性和抗環(huán)境侵蝕能力。

技術(shù)研發(fā)人員：梁超,楊生春,楊文涵,林越辛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/7