本發(fā)明屬于半導(dǎo)體，涉及鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備，具體涉及基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦薄膜的方法。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、有機(jī)金屬鉛基雜化鈣鈦礦具有高的光吸收系數(shù)、長(zhǎng)的載流子壽命和可調(diào)的帶隙，吸引了巨大的研究關(guān)注，基于該材料所制備的太陽(yáng)能電池已實(shí)現(xiàn)高達(dá)27%的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率（pce）。盡管鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（pscs）發(fā)展迅速，但目前所報(bào)道的高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池主要是在手套箱中制備，對(duì)控制條件的要求嚴(yán)格，阻礙了鈣鈦礦光伏低成本商業(yè)化發(fā)展。

2、兩步法次序沉積制備鈣鈦礦薄膜，無(wú)需反溶劑，展現(xiàn)出良好的操作穩(wěn)定性，相對(duì)于傳統(tǒng)的一步法沉積更適合空氣中制備鈣鈦礦薄膜。然而，空氣中的水分會(huì)破壞預(yù)先沉積的pbi2層，進(jìn)而影響最終制備的鈣鈦礦薄膜晶體質(zhì)量和缺陷態(tài)密度，從而引起如離子遷移、非輻射復(fù)合和鈣鈦礦體分解等問(wèn)題。因此，改善兩步法順序沉積過(guò)程中pbi2薄膜質(zhì)量被視為進(jìn)一步提高空氣中制備pscs效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

3、為了提升pbi2薄膜質(zhì)量，現(xiàn)有技術(shù)提出調(diào)控pbi2薄膜形貌和結(jié)晶過(guò)程，從而獲得疏松多孔的pbi2形貌，使得后續(xù)沉積的有機(jī)銨鹽能夠滲透到孔洞中，促進(jìn)與預(yù)先沉積的pbi2發(fā)生反應(yīng)。但為了避免空氣中的水分對(duì)pbi2薄膜造成的不良影響，仍然需要在惰性氛圍中制備pbi2薄膜，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)在空氣中制備鈣鈦礦薄膜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦薄膜的方法，使用十三氟庚基環(huán)氧乙烷作為添加劑，調(diào)控pbi2結(jié)晶生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，誘導(dǎo)pbi2薄膜高度層狀面生長(zhǎng)，提高其抗水侵蝕的能力，并促進(jìn)鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過(guò)程，實(shí)現(xiàn)在空氣中高效、高質(zhì)量制備鈣鈦礦薄膜。

2、基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦薄膜的方法，首先使用混合的n,n-二甲基甲酰胺（dmf）和二甲基亞砜（dmso）溶解pbi2，制備pbi2前驅(qū)體溶液，再向pbi2前驅(qū)體溶液添加1~5μl的十三氟庚基環(huán)氧乙烷。然后將fai、mai和macl溶于異丙醇溶劑中，攪拌至完全溶解得到有機(jī)銨鹽異丙醇溶液。依次在空氣環(huán)境下在襯底表面旋涂混合了十三氟庚基環(huán)氧乙烷的pbi2前驅(qū)體溶液和有機(jī)銨鹽異丙醇溶液，退火后得到fa0.92ma0.08pbi3鈣鈦礦薄膜。

3、基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦電池的方法，在空氣中采用兩步順序沉積法制備鈣鈦礦薄膜，具體步驟如下：

4、步驟1、用去離子水、丙酮和乙醇依次對(duì)導(dǎo)電玻璃進(jìn)行超聲清洗，烘干后進(jìn)行等離子處理。

5、步驟2、在等離子處理后的導(dǎo)電玻璃表面旋涂電子傳輸材料并退火，得到電子傳輸層。

6、步驟3、使用混合的n,n-二甲基甲酰胺（dmf）和二甲基亞砜（dmso）溶解pbi2，制備pbi2前驅(qū)體溶液，然后添加1~5μl的十三氟庚基環(huán)氧乙烷。將fai、mai和macl溶于異丙醇溶劑中，攪拌至完全溶解得到有機(jī)銨鹽異丙醇溶液。

7、步驟4、首先在電子傳輸層表面旋涂混合了十三氟庚基環(huán)氧乙烷的pbi2前驅(qū)體溶液，退火并冷卻至室溫后，再旋涂有機(jī)銨鹽異丙醇溶液，退火后得到鈣鈦礦薄膜。

8、步驟5、在鈣鈦礦薄膜表面制備空穴傳輸層，最后在空穴傳輸層上蒸鍍金屬背電極，完成鈣鈦礦電池的制備。

9、作為優(yōu)選，所述電子傳輸材料為稀釋后的二氧化錫（sno2）溶液，旋涂速度為3000~5000轉(zhuǎn)/秒，退火溫度為150?℃、時(shí)間為30分鐘，得到的電子傳輸層厚度為20~30納米。

10、作為優(yōu)選，pbi2前驅(qū)體溶液和有機(jī)銨鹽異丙醇溶液的旋涂速度為1500~2000?轉(zhuǎn)/秒，時(shí)間為30秒，環(huán)境溫度為26~30度，相對(duì)濕度為20~40%。

11、作為優(yōu)選，旋涂pbi2前驅(qū)體溶液后以70?℃退火1分鐘，旋涂有機(jī)銨鹽異丙醇溶液后以150?℃退火15分鐘。

12、作為優(yōu)選，將o-fpeai/ipa溶液旋涂到鈣鈦礦薄膜表面進(jìn)行后處理，然后再制備空穴傳輸層。

13、作為優(yōu)選，所述空穴傳輸層的厚度為180~200納米，通過(guò)在鈣鈦礦薄膜表面旋涂spiro-ometad溶液得到，旋涂速度為3000~5000?轉(zhuǎn)/秒、時(shí)間為30秒。

14、作為優(yōu)選，將spiro-ometad溶解于氯苯中，然后加入li-tfsi/乙腈溶液和4-叔丁基吡啶，得到spiro-ometad溶液。

15、作為優(yōu)選，所述金屬背電極為ag，厚度為100納米。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

17、本發(fā)明利用十三氟庚基環(huán)氧乙烷添加劑調(diào)控預(yù)沉積pbi2薄膜的晶體生長(zhǎng)和形貌，通過(guò)十三氟庚基環(huán)氧乙烷上的氧原子和前驅(qū)體溶液中的鉛原子相互作用，誘導(dǎo)pbi2薄膜高度層狀面生長(zhǎng)。此外，十三氟庚基環(huán)氧乙烷上的氟取代基可以和機(jī)銨鹽異丙醇溶液中的有機(jī)陽(yáng)離子形成氫鍵，促進(jìn)有機(jī)銨鹽更好地與pbi2薄膜相互反應(yīng)，協(xié)同調(diào)控鈣鈦礦薄膜晶體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)空氣中制備高質(zhì)量、高穩(wěn)定性、高重現(xiàn)性的鈣鈦礦薄膜，從而進(jìn)一步提高空氣中制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率和穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦薄膜的方法，配置pbi2前驅(qū)體溶液和有機(jī)銨鹽異丙醇溶液，在空氣中采用兩步順序沉積法制備鈣鈦礦薄膜，其特征在于：在配置的pbi2前驅(qū)體溶液中加入十三氟庚基環(huán)氧乙烷，在空氣中采用兩步順序沉積法，依次旋涂添加了十三氟庚基環(huán)氧乙烷的pbi2前驅(qū)體溶液和有機(jī)銨鹽異丙醇溶液，固-液反應(yīng)退火后得到鈣鈦礦薄膜。

2.如權(quán)利要求1所述基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦薄膜的方法，其特征在于：使用混合的n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜作為溶劑溶解pbi2，配置pbi2前驅(qū)體溶液。

3.如權(quán)利要求1所述基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦薄膜的方法，其特征在于：將fai、mai和macl溶于異丙醇溶劑中，攪拌至完全溶解得到有機(jī)銨鹽異丙醇溶液。

4.如權(quán)利要求1所述基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦薄膜的方法，其特征在于：使用1ml以9：1的體積比混合的n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜溶液溶解691.5?mg的pbi2，然后再添加1~5μl的十三氟庚基環(huán)氧乙烷；將90?mg?fai、7?mg?mai和9?mg?macl溶于1?ml的異丙醇溶劑中，配置有機(jī)銨鹽異丙醇溶液；采用兩步順序沉積法在空氣中制備fa0.92ma0.08pbi3鈣鈦礦薄膜。

5.如權(quán)利要求1所述基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦薄膜的方法，其特征在于：所述pbi2前驅(qū)體溶液和有機(jī)銨鹽異丙醇溶液的旋涂速度為1500~2000?轉(zhuǎn)/秒，時(shí)間為30秒，環(huán)境溫度為26~30度，相對(duì)濕度為20~40%。

6.如權(quán)利要求1所述基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦薄膜的方法，其特征在于：旋涂pbi2前驅(qū)體溶液后以70?℃退火1分鐘，旋涂有機(jī)銨鹽異丙醇溶液后以150?℃退火15分鐘。

7.基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦電池的方法，依次在等離子處理后的導(dǎo)電玻璃表面沉積電子傳輸層、鈣鈦礦薄膜、空穴傳輸層和金屬背電極，得到鈣鈦礦電池；其特征在于：所述鈣鈦礦薄膜通過(guò)權(quán)利要求1~6任一所述的方法制備。

8.如權(quán)利要求7所述基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦電池的方法，其特征在于：所述電子傳輸材料為稀釋后的二氧化錫溶液，以3000~5000轉(zhuǎn)/秒的速度旋涂在導(dǎo)電玻璃表面，然后以150?℃退火30分鐘后，得到厚度為20~30納米的電子傳輸層。

9.如權(quán)利要求7所述基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦電池的方法，其特征在于：將5?mg/ml的o-fpeai/ipa溶液旋涂到鈣鈦礦薄膜表面，進(jìn)行后處理，然后再制備空穴傳輸層。

10.如權(quán)利要求9所述基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦電池的方法，其特征在于：所述空穴傳輸層的厚度為180~200納米，通過(guò)在鈣鈦礦薄膜表面旋涂spiro-ometad溶液得到，旋涂速度為3000~5000?轉(zhuǎn)/秒、時(shí)間為30秒。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了基于十三氟庚基環(huán)氧乙烷的空氣中制備鈣鈦礦薄膜的方法，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。該方法首先配置PbI<subgt;2</subgt;前驅(qū)體溶液和機(jī)銨鹽異丙醇溶液，然后向PbI<subgt;2</subgt;前驅(qū)體溶液中添加十三氟庚基環(huán)氧乙烷。采用兩步順序沉積法，在空氣中制備鈣鈦礦薄膜，先旋涂添加了十三氟庚基環(huán)氧乙烷PbI<subgt;2</subgt;前驅(qū)體溶液，退火后得到高度層狀面生長(zhǎng)的PbI<subgt;2</subgt;薄膜，進(jìn)一步在PbI<subgt;2</subgt;表面上旋涂有機(jī)銨鹽溶液，通過(guò)固?液反應(yīng)退火形成鈣鈦礦薄膜。本方法制備的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜內(nèi)部PbI<subgt;2</subgt;殘留量減少、晶粒明顯增大、晶界減少。基于該方法所制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也得到明顯的提升，對(duì)于在空氣中制備大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有一定的指導(dǎo)意義。

技術(shù)研發(fā)人員：周勤,楊高元,嚴(yán)文生,宋穩(wěn)君
受保護(hù)的技術(shù)使用者：杭州電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8