Cs-Pb-Br钙钛矿薄膜制备方法、钙钛矿薄膜及钙钛矿太阳能电池

cs-pb-br钙钛矿薄膜制备方法、钙钛矿薄膜及钙钛矿太阳能电池
技术领域
1.本发明涉及一种cs-pb-br钙钛矿薄膜制备方法、钙钛矿薄膜及钙钛矿太阳能电池。


背景技术：

2.近年来无机钙钛矿材料由于其优秀的光电性能作为一种新型高效太阳能光电转换器件，稳定性高且制造成本低廉，展现出巨大的应用前景。但是由于原料csbr在常用有机溶剂中的溶解性较差，导致其无法像有机钙钛矿那样通过一步旋涂方法制备得到高质量薄膜。而且csbr-pbbr2体系中存在cspb2br5、cspbbr3、cs4pbbr6三个物相，会根据原料化学计量比生成，导致薄膜制备过程中很难得到纯相薄膜。常用的连续旋涂法无法精确调控原料csbr与pbbr2之间的合成反应，而热蒸发等方法在制备过程中需要调整大量复杂工艺。因此需要对现有的无机钙钛矿制膜方法进行改进，以实现更简单的操作步骤，且精确调节csbr与pbbr2之间化学反应。


技术实现要素：

3.为了解决当前钙钛矿薄膜制备过程中不易得到纯相薄膜的问题，本发明提供一种cs-pb-br钙钛矿薄膜制备方法、钙钛矿薄膜及钙钛矿太阳能电池。
4.本发明所述cs-pb-br钙钛矿薄膜制备方法，包括以下步骤：
5.1)使用pbbr2溶液在衬底上旋涂制备pbbr2薄膜；
6.2)在静置的pbbr2薄膜上滴覆csbr溶液，并浸润一段时间后，进行旋转处理；
7.3)在200℃-250℃下退火5min-15min，得到纯相钙钛矿薄膜。
8.在步骤1)中，上述pbbr2溶液为pbbr2的n,n-二甲基甲酰胺溶液，加热到70℃-90℃搅拌至完全溶解而得，浓度为0.9-1.2mol/l，pbbr2溶液以2000-3000rpm的速度旋涂到衬底上30s-40s，在加热台上在75℃-90℃加热处理8min-12min，衬底为选自玻璃、fto、ito或者tio2、sno2传输层中的任一种。
9.在步骤2)中，上述csbr溶液为csbr的甲醇或异丙醇溶液，浓度为10-20g/l；旋转处理的转速为2000-3000rpm，时间为20s-40s。
10.在浸润的时间为40s-2min时，得到纯相cspb2br5钙钛矿薄膜；在浸润的时间为2.5min-3.5min时，得到纯相cspbbr3钙钛矿薄膜；在浸润的时间为4min-5min时，得到纯相cs4pbbr6钙钛矿薄膜。
11.在步骤3)中，热退火的环境气体为氮气、氩气、氦气、空气中的一种或几种。
12.在步骤3)中,热退火温度为250℃，加热时间为10min，退火的升温速率为每分钟5℃-15℃。
13.本发明还提供一种cs-pb-br钙钛矿薄膜，其使用上述的cs-pb-br钙钛矿薄膜制备方法制备而得。
14.本发明还提供一种钙钛矿太阳能电池，其中包含上述的cs-pb-br钙钛矿薄膜。
15.有益效果：本发明通过调节浸润时间，可以精确调控薄膜物相，制备纯相的cspb2br5、cspbbr3或者cs4pbbr6；在不使用添加剂的情况下，通过简单操作制备得到纯相的平整致密的cspbbr3薄膜，有助于简化高钙钛矿薄膜的制备和提高薄膜的光电性能。
附图说明
16.图1为本发明的钙钛矿薄膜制备流程示意图；
17.图2为pbbr2薄膜的x射线衍射(xrd)图谱；
18.图3为本发明的钙钛矿薄膜的外观照片和xrd图谱；其中，(a)为浸润5min得到的cs4pbbr6薄膜的外观照片和xrd图谱；(b)为浸润3min得到的cspbbr3薄膜的外观照片和xrd图谱；(c)为浸润1min得到的cspb2br5薄膜的外观照片和xrd图谱；
19.图4为本发明的钙钛矿太阳能电池的j-v曲线图。
具体实施方式
20.下面通过实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
21.实施例1
22.一种cs-pb-br钙钛矿薄膜，其制备方法如图1所示，包括以下步骤。
23.1)配置pbbr2的n,n-二甲基甲酰胺(mdf)溶液，浓度为1mol/l，置于加热台在75℃下搅拌至完全溶解。将pbbr2的n,n-二甲基甲酰胺溶液以3000rpm的速度旋涂到tio2衬底上旋涂30s，然后转移到加热台在75℃下加热处理10min，得到pbbr2薄膜。pbbr2薄膜的xrd谱如图2所示，表明是不含杂质的纯相薄膜。
24.2)将步骤1)中得到的pbbr2薄膜静置，并在pbbr2薄膜上滴覆csbr溶液，csbr溶液为csbr的甲醇(mt)溶液，浓度为15g/l；csbr溶液与pbbr2充分接触浸润1min；将浸润结束的薄膜进行3000rpm速度的旋转处理。
25.3)在空气环境下在250℃下热退火10min；退火的升温速率为5℃-15℃每分钟，得到cspb2br5钙钛矿薄膜。对得到的cspb2br5钙钛矿薄膜进行外观拍照和xrd图谱测定，结果如图3所示。
26.实施例2
27.一种cs-pb-br钙钛矿薄膜，其通过以下制备方法制得。
28.1)配置pbbr2的n,n-二甲基甲酰胺溶液，浓度为1mol/l，置于加热台在75℃下搅拌至完全溶解。将pbbr2的n,n-二甲基甲酰胺溶液以3000rpm的速度旋涂到tio2衬底上旋涂30s，然后转移到加热台在75℃下加热处理10min，得到pbbr2薄膜。
29.2)将步骤1)中得到的pbbr2薄膜静置，并在pbbr2薄膜上滴覆csbr溶液，csbr溶液为csbr的甲醇溶液，浓度为15g/l；csbr溶液与pbbr2充分接触浸润3min；将浸润结束的薄膜进行3000rpm速度的旋转处理。
30.3)在空气环境下在250℃下热退火10min；退火的升温速率为5℃-15℃每分钟，得到cspbbr3钙钛矿薄膜。对得到的cspbbr3钙钛矿薄膜进行外观拍照和xrd图谱测定，结果如图3所示。
31.实施例3
32.一种cs-pb-br钙钛矿薄膜，其通过以下制备方法制得。
33.1)配置pbbr2的n,n-二甲基甲酰胺溶液，浓度为1mol/l，置于加热台在75℃下搅拌至完全溶解。将pbbr2的n,n-二甲基甲酰胺溶液以3000rpm的速度旋涂到tio2衬底上旋涂30s，然后转移到加热台在75℃下加热处理10min，得到pbbr2薄膜。
34.2)将步骤1)中得到的pbbr2薄膜静置，并在pbbr2薄膜上滴覆csbr溶液，csbr溶液为csbr的甲醇溶液，浓度为15g/l；csbr溶液与pbbr2充分接触浸润5min；将浸润结束的薄膜进行3000rpm速度的旋转处理。
35.3)在空气环境下在250℃下热退火10min；退火的升温速率为5℃-15℃每分钟，得到cs4pbbr6钙钛矿薄膜。对得到的cs4pbbr6钙钛矿薄膜进行外观拍照和xrd图谱测定，结果如图3所示。
36.实施例4
37.一种钙钛矿太阳能电池，其按如下步骤制备。
38.首先清洗基片衬底，然后按照顺序沉积tio2传输层、钙钛矿薄膜、碳电极。
39.1)基片预处理：用去离子水、丙酮和乙醇依次对fto衬底进行超声波清洗15min；清洗结束后用空气吹干。然后用紫外清洗机辐照30min。fto衬底经过上述处理后即可进行后续实验。
40.2)沉积电子传输层：在处理过的fto衬底表面，旋涂浓度为0.15m乙酰丙酮钛前驱液，以3000rpm转速旋涂30s，在60℃下退火5min，然后在空气中480℃退火600min。最后通过紫外臭氧机清洗30min，形成制备钙钛矿太阳能电池所需的tio2电子传输层。
41.3)沉积出实施例1的cspb2br5钙钛矿薄膜。
42.4)碳电极层：通过丝网印刷的方法将碳浆料涂在钙钛矿层上，然后在120℃下加热30分钟。
43.经过上述步骤即可制成cspb2br5钙钛矿太阳能电池(沉积cspb2br5钙钛矿薄膜时浸润时间为1min)。对得到的cspb2br5钙钛矿太阳能电池进行光电转换效率测定，结果如图4所示。
44.实施例5
45.将实施例4的步骤3)中“沉积出实施例1的cspb2br5钙钛矿薄膜”变更为“沉积出实施例2的cspbbr3钙钛矿薄膜”，除此以外，与实施例4相同，得到cspbbr3钙钛矿太阳能电池(沉积cspbbr3钙钛矿薄膜时浸润时间为3min)。对得到的cspbbr3钙钛矿太阳能电池进行光电转换效率测定，结果如图4所示，转换效率大于6％。
46.实施例6
47.将实施例4的步骤3)中“沉积出实施例1的cspb2br5钙钛矿薄膜”变更为“沉积出实施例3的cs4pbbr6钙钛矿薄膜”，除此以外，与实施例4相同，得到cs4pbbr6钙钛矿太阳能电池(沉积cs4pbbr6钙钛矿薄膜时浸润时间为5min)。对得到的cs4pbbr6钙钛矿太阳能电池进行光电转换效率测定，结果如图4所示。
48.上述未特别提及的技术均参照现有技术。
49.如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对
其在形式上和细节上作出各种变化。