1.本发明属于光电材料与器件领域，涉及一种通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅 锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法。
背景技术：2.近年来，日益凸显的气候变化问题使得世界经济加速向低碳化深入发展，以“光 伏”为代表的可再生能源已逐渐成为新一轮能源革命的主力军，发展高效稳定、绿色 经济的新型光伏技术对构建可持续发展的现代能源体系具有重要的战略意义。伴随以 硅基为主的传统光伏技术日臻成熟，光伏技术的大规模商业应用面临着工艺复杂、污 染严重等问题的挑战，钙钛矿光伏技术应运而生。因其工艺简单、成本低廉、可柔性 制备、光电性能优异，迅速成为该领域的研究热点前沿。
3.迄今，高效钙钛矿光伏技术仍以pb基钙钛矿材料为主，并在短时间内将光电转化 效率突破至25.5％。然而，pb基钙钛矿光伏材料与器件制备过程重金属铅毒性引发的 自然环境及公共健康问题制约着其进一步发展。同时，根据shockley-queisser极限 理论，pb基钙钛矿因其较宽的带隙(1.55ev)，光电转化极限效率的理论值小于31％。 为从源头有效控制环境污染，突破理论极限效率限制，以sn
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、ge
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、sb
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、bi
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为代表 的非铅钙钛矿材料得以发展，尤其是sn基钙钛矿，自2014年snaith首次合成sn基 钙钛矿至今，其光电转化效率已提升至14.8％，被认为是最有前途的环境友好型钙钛 矿光伏材料。
4.然而，由于sn基钙钛矿薄膜结晶速率过快且sn
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易被氧化为sn
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，导致成膜质量 较差、缺陷态密度较高，其光电性能仍远低于现阶段的pb基钙钛矿，尤其是反溶剂方 法的使用增加了成膜过程的复杂性及工艺成本，同时在一定程度上对环境造成污染。 基于此，研发一种简单的锡基钙钛矿薄膜制备方法，同时保证其优异的光电性能十分 必要。
技术实现要素：5.要解决的技术问题
6.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种通过离子型盐实现无反溶剂制备 无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，旨在解决现有锡基钙钛矿薄膜必须使用 反溶剂的缺点及难以室温制备高质量薄膜的问题。
7.技术方案
8.一种通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方 法，其特征在于步骤如下：
9.步骤1：将甲脒碘、碘化亚锡以及氟化亚锡溶于一种由离子型盐与有机溶剂配制 的溶剂中，搅拌至完全溶解配置成无铅锡基钙钛矿前驱液；
10.所述甲脒碘、碘化亚锡以及氟化亚锡的摩尔比1︰1︰0.1；
11.步骤2：在清洗并处理过的ito透明导电玻璃上旋涂沉积空穴传输材料；
12.步骤3：经沉积有空穴传输层的ito透明导电玻璃上，将步骤1配置的无铅锡基 钙钛矿前驱液沉积锡基钙钛矿薄膜，再经过退火处理后得到平整致密的活性层；
13.步骤4：在锡基钙钛矿薄膜上旋涂沉积电子传输层；
14.步骤5：在电子传输层上接着真空热蒸镀界面修饰层和金属电极，得到太阳能电 池。
15.所述的步骤1中的离子液体盐为乙酸肼。
16.所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺dmf，n,n-二甲基乙酰胺dmac中的一种或两种 混合。
17.所述无铅锡基钙钛矿前驱液的浓度为0.6-0.7mmol/ml。
18.所述的步骤2中透明导电ito电极上沉积的空穴传输层为pedot:pss。
19.所述的步骤2的步骤为：旋涂pedot:pss后，在150℃下退火20min。
20.所述的步骤3采用一步无反溶剂旋涂法沉积锡基钙钛矿薄膜，旋涂温度为室温。
21.所述的步骤4中旋涂沉积的电子传输层为icba，其中icba以6-8mg/ml的浓度 溶于氯苯溶液中。
22.所述的步骤5中界面修饰层为bcp，金属电极为ag。
23.所述的步骤5步骤为：bcp热蒸镀在电子传输层上，厚度为6nm；金属ag电极厚 度为120nm。
24.本发明的进一步技术方案是：步骤(1)中所述特制溶剂的配置，为100mg haac 溶于1ml dmf，浓度为100mg/ml。。该方式更有利于锡基钙钛矿一步成膜。
25.本发明的进一步技术方案是：步骤(4)中钙钛矿薄膜的旋涂转速为每分钟5000 转旋涂60s，该旋涂速度有利于形成性质更好的钙钛矿薄膜。
26.本发明的进一步技术方案是：步骤(5)icba以6-8mg/ml的浓度溶于氯苯溶液 中，该浓度下制备的电子传输层厚度适中，利于载流子传输。
27.本发明的进一步技术方案是：步骤(5)中icba的旋涂方式为两步，第一步每分 钟1000转旋涂50秒，第二步每分钟3000转旋涂5秒，得到电子传输层，无须进行热 处理。
28.有益效果
29.本发明提出的一种通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳 能电池的方法，以乙酸肼(haac)离子型盐作为结晶控制剂，以dmf或dmac中的一种 或两种的混合液作为溶剂，在室温条件下，经一步无反溶剂旋涂并热处理后即可获得 平整、致密、均一、结晶度高的锡基钙钛矿薄膜。相较传统反溶剂滴加工艺，本发明 公开的制备工艺具有简单、快速、高效、易操作的特点。基于此薄膜制备的锡基钙钛 矿太阳能电池器件，具有较高的光电转化效率及良好的器件稳定性。
30.本发明的有益效果：
31.(1)发明了一种特制溶剂，实现了无反溶剂一步旋涂法制备锡基钙钛矿薄膜，得 到了平整致密的锡基钙钛矿薄膜；
32.(2)相较于传统反溶剂法，本发明简化了锡基钙钛矿薄膜的制备工艺流程及降低 了使用反溶剂对环境造成的污染；
33.(3)工艺参数经优化后，在无其它添加剂的条件下，制备的锡基钙钛矿太阳能电 池器件光电转换效率＞6％。
附图说明
34.图1是本发明在氮气氛围中制备的锡基钙钛矿薄膜的sem图，其中a为特质溶剂 制备的薄膜，b为dmf溶剂制备的薄膜；
35.图2是本发明在氮气氛围中制备的锡基钙钛矿薄膜的xrd图，其中实线曲线为 haac/dmf特质溶剂制备的薄膜，虚线曲线为dmf溶剂制备的薄膜；
36.图3是本发明制备的锡基钙钛矿太阳能电池器件结构图；
37.图4是本发明制备的不同溶剂下的锡基钙钛矿太阳能电池的j-v曲线图；
具体实施方式
38.现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
39.实施例1
40.特制溶剂下(haac/dmf混合液)，fasni3钙钛矿薄膜及其太阳能电池的制备方法：
41.步骤1)将刻蚀好的ito导电玻璃依次在乙醇、超纯水加清洗剂、超纯水、乙醇 中各超声30min。氮气吹干后放入烘箱烘烤，得到干净的ito基底。
42.步骤2)称取100mg haac溶于1ml dmf，浓度为100mg/ml，于60℃温度下搅 拌4h至混合均匀，配制成特制溶剂。
43.步骤3)称取60.2mg甲脒碘、130.4mg碘化亚锡和5.5mg氟化亚锡溶于0.5ml 特质溶剂中(193.4μl haac/dmf混合液及306.6μl dmf溶剂)，并在室温下搅拌2 小时至完全溶解，制备成钙钛矿前驱体溶液，浓度为0.7mmol/ml。
44.步骤4)将步骤1)中清洗干净的ito基片紫外臭氧处理15min。
45.步骤5)取空穴传输材料pedot:pss 40μl用移液枪滴至步骤4)处理好的ito 导电玻璃上，在5000转每分钟的转速下旋转50秒后，将涂有pedot:pss的ito在150℃ 条件下退火20min。
46.步骤6)将步骤5)中退火完成的涂有空穴传输层的ito导电基片放置在旋涂仪上， 用洗耳球将表面吹干净。
47.步骤7)取步骤3)配制的钙钛矿前躯体溶液55μl滴到步骤6)旋有空穴传输 层的ito基片上，旋涂成膜，然后进行退火，得到钙钛矿薄膜。旋涂钙钛矿前驱体溶 液的转速为每分钟5000转旋涂60秒，在氮气氛围中于100℃下退火5min。图1(a) 为该添加方式下钙钛矿薄膜的sem图，薄膜晶粒致密、平整、连续且尺寸均一，表示 薄膜质量较好。图2实线haac/dmf曲线为该添加方式下钙钛矿薄膜的xrd图，表示薄 膜具有良好的结晶性。
48.步骤8)称取6mg icba，将其完全溶解在1ml氯苯溶剂中，配置成6mg/ml的 icba旋涂液。
49.步骤9)将步骤8)的icba旋涂液旋涂到步骤7)的钙钛矿薄膜上，旋涂icba采 用两步，第一步每分钟1000转旋涂50秒，第二步每分钟3000转旋涂5秒，得到电子 传输层。
50.步骤10)采用真空热蒸镀技术，在步骤9)的电子传输层上蒸镀6nm bcp和120nm 金属电极ag，得到钙钛矿太阳能电池。
51.步骤11)在标准测试条件下(am 1.5g光照)，图4为本实例所制备的太阳能电 池器件的光电性能，光电转换效率为6.27％，开路电压为0.61v，短路电流为16.59 ma/cm2，填充因子为61.94％。
52.实施例2
53.特质溶剂下(haac/dmac混合液)，fasni3钙钛矿薄膜及其太阳能电池的制备方法：
54.步骤1)将刻蚀好的ito导电玻璃依次在乙醇、超纯水加清洗剂、超纯水、乙醇 中各超声30min。氮气吹干后放入烘箱烘烤，得到干净的ito基底。
55.步骤2)称取100mg haac溶于1ml dmac，浓度为100mg/ml，于60℃温度下搅 拌4h至混合均匀，配制成特制溶剂。
56.步骤3)称取60.2mg甲脒碘、130.4mg碘化亚锡和5.5mg氟化亚锡溶于0.5ml 特质溶剂中(193.4μl haac/dmac混合液及306.6μl dmac溶剂)，并在室温下搅 拌2小时至完全溶解，制备成钙钛矿前驱体溶液，浓度为0.7mmol/ml。
57.步骤4)将步骤1)中清洗干净的ito基片紫外臭氧处理15min。
58.步骤5)取空穴传输材料pedot:pss 40μl用移液枪滴至步骤4)处理好的ito 导电玻璃上，在5000转每分钟的转速下旋转50秒后，将涂有pedot:pss的ito在150℃ 条件下退火20min。
59.步骤6)将步骤5)中退火完成的涂有空穴传输层的ito导电基片放置在旋涂仪上， 用洗耳球将表面吹干净。
60.步骤7)取步骤3)配制的钙钛矿前躯体溶液55μl滴到步骤6)旋有空穴传输 层的ito基片上，旋涂成膜，然后进行退火，得到钙钛矿薄膜。旋涂钙钛矿前驱体溶 液的转速为每分钟5000转旋涂60秒，在氮气氛围中于100℃下退火5min。
61.步骤8)称取6mg icba，将其完全溶解在1ml氯苯溶剂中，配置成6mg/ml的 icba旋涂液。
62.步骤9)将步骤8)的icba旋涂液旋涂到步骤7)的钙钛矿薄膜上，旋涂icba采 用两步，第一步每分钟1000转旋涂50秒，第二步每分钟3000转旋涂5秒，得到电子 传输层。
63.步骤10)采用真空热蒸镀技术，在步骤9)的电子传输层上蒸镀6nm bcp和120nm 金属电极ag，得到钙钛矿太阳能电池。
64.步骤11)在标准测试条件下(am 1.5g光照)，图4为本实例所制备的太阳能电 池器件的光电性能，光电转换效率为3.72％，开路电压为0.55v，短路电流为11.26 ma/cm2，填充因子为59.29％。
65.实施例3
66.特质溶剂下(haac/(dmf+dmac)混合液)，fasni3钙钛矿薄膜及其太阳能电池的制 备方法：
67.步骤1)将刻蚀好的ito导电玻璃依次在乙醇、超纯水加清洗剂、超纯水、乙醇 中各超声30min。氮气吹干后放入烘箱烘烤，得到干净的ito基底。
68.步骤2)称取100mg haac溶于dmf与dmac混合溶剂(dmf:dmac＝4:1)，浓度 为100mg/ml，于60℃温度下搅拌4h至混合均匀，配制成特制溶剂。
69.步骤3)称取60.2mg甲脒碘、130.4mg碘化亚锡和5.5mg氟化亚锡溶于0.5ml 特质溶剂中(193.4μl haac/dmf+dmac混合液及306.6μl dmf与dmac混合溶剂， dmf:dmac＝4:1)，并在室温下搅拌2小时至完全溶解，制备成钙钛矿前驱体溶液，浓 度为0.7mmol/ml。
70.步骤4)将步骤1)中清洗干净的ito基片紫外臭氧处理15min。
71.步骤5)取空穴传输材料pedot:pss 40μl用移液枪滴至步骤4)处理好的ito 导电
玻璃上，在5000转每分钟的转速下旋转50秒后，将涂有pedot:pss的ito在150℃ 条件下退火20min。
72.步骤6)将步骤5)中退火完成的涂有空穴传输层的ito导电基片放置在旋涂仪上， 用洗耳球将表面吹干净。
73.步骤7)取步骤3)配制的钙钛矿前躯体溶液55μl滴到步骤5)旋有空穴传输 层的ito基片上，旋涂成膜，然后进行退火，得到钙钛矿薄膜。旋涂钙钛矿前驱体溶 液的转速为每分钟5000转旋涂60秒，在氮气氛围中于100℃下退火5min。
74.步骤8)称取6mg icba，将其完全溶解在1ml氯苯溶剂中，配置成6mg/ml的 icba旋涂液。
75.步骤9)将步骤8)的icba旋涂液旋涂到步骤7)的钙钛矿薄膜上，旋涂icba采 用两步法，第一步每分钟1000转旋涂50秒，第二步每分钟3000转旋涂5秒，得到电 子传输层。
76.步骤10)采用真空热蒸镀技术，在步骤8)的电子传输层上蒸镀6nm bcp和120nm 金属电极ag，得到钙钛矿太阳能电池。
77.步骤11)在标准测试条件下(am 1.5g光照)，图4为本实例所制备的太阳能电 池器件的光电转换效率为5.17％，开路电压为0.58v，短路电流为17.23ma/cm2，填 充因子为54.41％。
78.对比例1
79.传统溶剂下(纯dmf溶剂)，fasni3钙钛矿薄膜及其太阳能电池的制备方法：
80.步骤1)将刻蚀好的ito导电玻璃依次在乙醇、超纯水加清洗剂、超纯水、乙醇 中各超声30min。氮气吹干后放入烘箱烘烤，得到干净的ito基底。
81.步骤2)称取甲脒碘、130.4mg碘化亚锡和5.5mg氟化亚锡溶于0.5ml dmf溶 剂中，并在室温下搅拌2小时至完全溶解，制备成钙钛矿前驱体溶液，浓度为0.7 mmol/ml。
82.步骤3)将步骤1)中清洗干净的ito基片紫外臭氧处理15min。
83.步骤4)取空穴传输材料pedot:pss 40μl用移液枪滴至步骤3)处理好的ito 导电玻璃上，在5000转每分钟的转速下旋转50秒后，将涂有pedot:pss的ito在 150℃条件下退火20min。
84.步骤5)将步骤4)中退火完成的涂有空穴传输层的ito导电基片放置在旋涂仪上， 用洗耳球将表面吹干净。
85.步骤6)取步骤2)配制的钙钛矿前躯体溶液55μl滴到步骤5)旋有空穴传输 层的ito基片上，旋涂成膜，然后进行退火，得到钙钛矿薄膜。旋涂钙钛矿前驱体溶 液的转速为每分钟5000转旋涂60秒，在氮气氛围中于100℃下退火5min。图1(b) 为该添加方式下钙钛矿薄膜的sem图，薄膜仅形成孤立且尺寸分布不均的钙钛矿晶体， 表现出较差的成膜质量。图2虚线dmf曲线为该添加方式下钙钛矿薄膜的xrd图，表 示薄膜结晶性较差。
86.步骤7)称取6mg icba，将其完全溶解在1ml氯苯溶剂中，配置成6mg/ml的 icba旋涂液。
87.步骤8)将步骤7)的icba旋涂液旋涂到步骤6)的钙钛矿薄膜上，旋涂icba采 用两步法，第一步每分钟1000转旋涂50秒，第二步每分钟3000转旋涂5秒，得到电 子传输层。
88.步骤9)采用真空热蒸镀技术，在步骤8)的电子传输层上蒸镀6nm bcp和120nm 金属电极ag，得到钙钛矿太阳能电池。
89.步骤10)在标准测试条件下(am 1.5g光照)，器件短路，表示该方法下锡基钙 钛矿薄膜成膜质量极差。
90.表1
91.溶剂类型j
sc
/ma
·
cm-2voc
/vff/％pce/％haac/dmf16.590.6161.946.27haac/dmac11.260.5559.293.72haac/(dmf:dmac＝4:1)17.230.5854.415.17
92.本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等效的修改或替换形成 的技术方案均为本发明要求的保护范围。
技术特征：1.一种通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将甲脒碘、碘化亚锡以及氟化亚锡溶于一种由离子型盐与有机溶剂配制的溶剂中，搅拌至完全溶解配置成无铅锡基钙钛矿前驱液；所述甲脒碘、碘化亚锡以及氟化亚锡的摩尔比1︰1︰0.1；步骤2：在清洗并处理过的ito透明导电玻璃上旋涂沉积空穴传输材料；步骤3：经沉积有空穴传输层的ito透明导电玻璃上，将步骤1配置的无铅锡基钙钛矿前驱液沉积锡基钙钛矿薄膜，再经过退火处理后得到平整致密的活性层；步骤4：在锡基钙钛矿薄膜上旋涂沉积电子传输层；步骤5：在电子传输层上接着真空热蒸镀界面修饰层和金属电极，得到太阳能电池。2.根据权利要求1所述通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，其特征在于：所述的步骤1中的离子液体盐为乙酸肼。3.根据权利要求1所述通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，其特征在于：所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺dmf，n,n-二甲基乙酰胺dmac中的一种或两种混合。4.根据权利要求1所述通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，其特征在于：所述无铅锡基钙钛矿前驱液的浓度为0.6-0.7mmol/ml。5.根据权利要求1所述通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，其特征在于：所述的步骤2中透明导电ito电极上沉积的空穴传输层为pedot:pss。6.根据权利要求1所述通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，其特征在于：所述的步骤2的步骤为：旋涂pedot:pss后，在150℃下退火20min。7.根据权利要求1所述通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，其特征在于：所述的步骤3采用一步无反溶剂旋涂法沉积锡基钙钛矿薄膜，旋涂温度为室温。8.根据权利要求1所述通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，其特征在于：所述的步骤4中旋涂沉积的电子传输层为icba，其中icba以6-8mg/ml的浓度溶于氯苯溶液中。9.根据权利要求1所述通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，其特征在于：所述的步骤5中界面修饰层为bcp，金属电极为ag。10.根据权利要求1所述通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，其特征在于：所述的步骤5步骤为：bcp热蒸镀在电子传输层上，厚度为6nm；金属ag电极厚度为120nm。
技术总结本发明涉及一种通过离子型盐实现无反溶剂制备无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的方法，以乙酸肼(HAAc)离子型盐作为结晶控制剂，以DMF或DMAc中的一种或两种的混合液作为溶剂，在室温条件下，经一步无反溶剂旋涂并热处理后即可获得平整、致密、均一、结晶度高的锡基钙钛矿薄膜。相较传统反溶剂滴加工艺，本发明公开的制备工艺具有简单、快速、高效、易操作的特点。基于此薄膜制备的锡基钙钛矿太阳能电池器件，具有较高的光电转化效率及良好的器件稳定性。稳定性。稳定性。
技术研发人员：冉晨鑫 东赫 高蔚茵 陈永华 黄维
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2022/7/4
