一种刮刀涂布的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

本发明属于光电功能器件，具体涉及一种刮刀涂布的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、随着光伏器件以及光伏材料的不断发展与革新，钙钛矿太阳能电池作为新型太阳能技术凭借其高效率、易于制备、低成本等优势成为传统硅电池的有力竞争者，并且迅速地取得了令人瞩目的进展。实验室中通过匀胶机旋涂制备的小面积钙钛矿太阳能电池能获得较高的光电转换效率，工业生产中大面积钙钛矿太阳能电池的制备工艺、涂布上还存在着不足，有很大的改善空间，现有的通用的涂布器械和涂布工艺很难满足高质量大面积钙钛矿薄膜的制备。

2、本发明提供了一种刮刀涂布的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，针对大面积高质量钙钛矿薄膜的制备，能够很好的解决涂布过程中钙钛矿前驱液和基底的扰流现象，增大前驱液和基板的接触面积，减少刮刀和钙钛矿前驱液的接触角，改进涂布速度，从而提高涂布整体的均匀性和成膜质量，减少钙钛矿湿膜的团聚现象，提高电荷传输效率，从而整体提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。

技术实现思路

1、解决的技术问题：

2、本技术针对现有技术存在的钙钛矿大面积制备中因团聚而导致的结晶速率不均匀，工业生产中大面积钙钛矿太阳能电池的制备工艺、涂布上还存在着不足，涂布过程中钙钛矿前驱液和基底的扰流现象等技术问题，提供了一种刮刀涂布的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，且基于此刮刀和相应的涂布工艺，可以最大限度的减少钙钛矿前驱液和不同基底之间的扰流现象，减少刮刀和钙钛矿前驱液的接触角，提高浸润性，进而减少成膜不均匀带来的问题，提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性。

3、技术方案：

4、为实现上述目的，本技术通过以下技术方案予以实现：

5、一种刮刀涂布的钙钛矿太阳能电池的制备方法，具体包括如下步骤：

6、第一步：将刮刀涂布器浸入洗涤剂中超声清洗，然后用去离子水涮去洗涤剂，再依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中超声清洗，烘干备用，在刮刀涂布器底表面上沉积一层商用光刻胶薄膜；

7、第二步：将第一步的刮刀放入100℃烘箱内后烘处理，持续10min；

8、第三步：将第二步的刮刀冷却后，刮刀底表面垂直正对光源，透过圆形图案的掩模版进行曝光，持续60s；

9、第四步：将第三步的刮刀浸入1％浓度的naoh水溶液中显影9-11s，并用清水冲洗，氮气吹干；

10、第五步：将第四步的刮刀通过物理气相沉积pvd法在底表面上制备金属，在光刻胶表面以及孔洞里上形成金属层；

11、第六步：将第五步的刮刀用丙酮超声除去光刻胶，生长在光刻胶上的金属层一同被除去，生长在孔洞里的金属层被保留下来，从而得到在刮刀涂布器底表面的圆柱点阵列模板；

12、第七步：将第六步的刮刀底表面的圆柱点阵列进行刻蚀，削去垂直起伏的边缘，得到堤岸状边缘的土坡形圆柱点，至此完成带土坡形圆柱点阵列的刮刀涂布器；

13、第八步：用带土坡形圆柱点阵列的刮刀涂布器在透明导电基底上刮涂制备第一载流子传输层；

14、第九步：用带土坡形圆柱点阵列的刮刀涂布器在第一载流子传输层上刮涂制备钙钛矿吸光层；

15、第十步：用带土坡形圆柱点阵列的刮刀涂布器在钙钛矿吸光层上刮涂制备第二载流子传输层；第十一步：在第二载流子传输层上制备金属电极，完成整个钙钛矿太阳能电池的制备。

16、进一步地，所述刮刀涂布器的材质是不锈钢、玻璃、石英或硅，第五步中的金属为金、银、铜、镍、铬中的一种或几种的合金。

17、进一步地，所述第七步中的刻蚀是化学刻蚀或物理研磨刻蚀，化学刻蚀为将刮刀放入碘缸内密封，让刮刀底表面的ag圆柱与碘蒸汽反应50-70s，随后拿出将其浸泡在1,3-丙二胺乙醇溶液中，刻蚀掉碘化银，物理研磨刻蚀为将刮刀固定，在刮刀底表面上涂上研磨液，用无尘布打磨擦拭，往复多次直至刻蚀完成。

18、进一步地，所述第八步中透明导电基底是掺氟氧化锡fto、掺铟氧化锡ito或金属网格；第一载流子传输层是正式结构或反式结构，是正式结构时第一载流子传输层为电子传输层，为反式结构时第一载流子传输层为空穴传输层；电子传输层采用二氧化锡sno2、二氧化钛tio2、氧化锌zno或富勒烯衍生物pcbm；空穴传输层采用2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴spiro-meotad、三苯胺聚合物ptaa或pedot:pss。

19、进一步地，所述第九步中先在刮刀底表面沉积一层不连续的纳米颗粒种子，然后采用三段式刮涂涂布钙钛矿前驱液，随后退火完成钙钛矿吸光层的制备。

20、进一步地，所述第十步中第二载流子传输层为正式结构或反式结构，为正式结构时第二载流子传输层为空穴传输层；为反式结构时第二载流子传输层为电子传输层。

21、进一步地，所述第十一步中金属电极层为金au，通过蒸镀法制备。

22、进一步地，所述纳米颗粒种子选自碘化铅、溴化铅、氯化铅、碘化甲胺、碘化甲脒、碘化铯、溴化甲胺、溴化甲脒、溴化铯、氯化甲胺、氯化甲脒、氯化铯纳米颗粒中的一种或几种；纳米颗粒种子的溶剂选自二甲基亚砜dmso、n,n-二甲基甲酰胺dmf、异丙醇ipa中的一种或几种，纳米颗粒种子在纳米颗粒种子的溶剂中的浓度小于等于1mol/l；所述纳米颗粒种子的沉积方法是旋涂、喷涂、滴涂、刮涂或印刷中的一种。

23、进一步地，：所述三段式刮涂涂布工艺，将涂布路程分为前中后三段，调节其涂布速度，消除涂布前后端的厚度差异，去除积液现象，提高整体均匀性；前中后三段，前段为从起点开始行进总路程的10％，中端为前段之后行进的总路程的80％，后段为中段之后行进的总路程的10％；

24、前段涂布速度为8-16mm/s，中段涂布速度为10-20mm/s，后段涂布速度为12-24mm/s。

25、本技术还公开了上述任一制备方法制得的刮刀涂布的钙钛矿太阳能电池，所述刮刀涂布的钙钛矿太阳能电池为正式结构或反式结构，当刮刀涂布的钙钛矿太阳能电池为正式结构，在透明导电基底上依次为电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极；当刮刀涂布的钙钛矿太阳能电池为反式结构，透明导电基底上依次为空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层和金属电极；所述钙钛矿吸光层采用有机无机钙钛矿材料。

26、有益效果：

27、本技术提供了一种刮刀涂布的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，与现有技术相比，具备以下有益效果：

28、1.相较于平的表面，土坡形圆柱点阵列可以减少前驱液和第一载流子传输层之间的流动剪切应力，避免二次团聚，钙钛矿前驱液在土坡形圆柱点阵列间及表面流动，涂布过程减少了钙钛矿前驱液和第一载流子传输层之间的流动剪切应力，土坡形圆柱点阵列的引入抑制了钙钛矿前驱液在刮刀和第一载流子传输层之间的二次团聚；

29、2.涂布速率的快慢直接影响湿膜厚度，三段式的涂布工艺可以改变传统涂布前段薄后段厚的情况，达到湿膜整体均匀；一般的刮刀涂布的薄膜不均匀，并且伴随着涂布过程中纳米颗粒、前驱液二次团聚、刮刀与基底之间摩擦力导致刮刀与薄膜之间界面不连续等问题；前驱液中黏性阻力的增加加重了团聚效应，导致胶体颗粒在钙钛矿湿膜的前缘和边缘聚集，此外，由于流体边界处蒸发增强，胶体颗粒迁移的粘性阻力进一步增大，因此本技术提出了一种带土坡形圆柱点阵列的刮刀，用于在大面积钙钛矿制备过程中剪切钙钛矿胶体颗粒，土坡形圆柱点阵列刮刀的技术效果是通过阵列的排布引入了剪切应力和拉伸流动，大大减少了钙钛矿湿膜状态下胶体颗粒通量的产生，从而避免了整个薄膜的二次团聚，进一步抑制了二次团聚对钙钛矿膜的影响，胶体颗粒对尺度和衬底差异的敏感性可以很好地降低，胶体颗粒的均匀分布可以明显提高钙钛矿薄膜的整体结晶均匀性；

30、3.钙钛矿前驱液胶体颗粒的均匀分布是获得高质量钙钛矿薄膜的关键因素；与一般的平板刮刀相比，由于引入了剪切应变和拉伸流动，带土坡形圆柱点阵列的刮刀可以有效地剪切胶体颗粒，显著提高了胶体颗粒的迁移率，显著缩短了胶体颗粒在基材上的滞后时间，纳米颗粒种子的预沉积减小待沉积溶液与刮刀底表面之间的接触角,改善浸润性，然后再使沉积溶液在表面上铺展开来，形成一层均匀的薄膜；三段式涂布工艺，将涂布路程分为前中后三段，调节其涂布速度，消除涂布前后端的厚度差异，去除积液现象，提高整体均匀性。