一步溶液法制备有机金属卤化物钙钛矿薄膜的研究进展_张林星

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1、一步溶液法制备有机金属卤化物钙钛矿薄膜的研究进展_张林星一步溶液法制备有机金属卤化物钙钛矿薄膜的研究进展张林星等：５０２０５（）文章编号：０１３１２０１７０２０５５１０９７０２０８－－－一步溶液法制备有机金属卤化物钙钛矿薄膜的研究进展赵宏飞，牛芳芳，曾鹏举，连加荣张林星，＊）（光电子器件与系统（教育部／广东省）重点实验室，广东深圳５深圳大学光电工程学院，８０６０１摘　要：俨然已成为最具发展　有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池兼具很高的光电转换能力和低成本制备优势，潜力的一类光伏技术。目前，伴随着钙钛矿薄膜质量的不断提升，该技术的最高光电转换效率已经超过２２％。一步溶液法

2、制备技术操作简单、商业应用前景广阔，在简要介绍钙钛矿薄膜的制备工艺基础上，重点分析了一步溶液制备法中提高薄膜质量的４种方法，并综述了相关研究进展；最后针对现有钙钛矿太阳能电池存在的问题提出发展展望。关键词：钙钛矿；太阳能电池；薄膜形貌；转换效率　有机金属卤化物；中图分类号：３４Ｂ　Ｔ文献标识码：Ａ　：／Ｉ１０．３９６９ｉ．ｓｓｎ．１００１－９７３１．２０１７．０２．０１０ＤＯｊ》《期刊首次报道了效率高达１ｉｅｎｃｅ９％的全固态钙０．Ｓｃ１］，钛矿太阳能电池［立刻引发发展该技术的研究热潮。截至目前为止，钙钛矿太阳能电池的转换效率已经突正在逼近单晶硅太阳能电池。因此，不

3、少行破２２％，业人士认为，钙钛矿太阳能电池将是第三代太阳能电池的引领者。器件能量转换效率的快速攀升，本质上是器件结构持续优化和钙钛矿薄膜质量不断提高的结果。钙钛矿薄膜的质量很大程度决定了电池能量转换的上限，这是因为：钙钛矿薄膜的覆盖率和致密度决定太阳能电池上下电极之间以及空穴和电子收集层之间的直接接触几率，从而决定器件的短路程度和载流子复合机会；钙钛矿薄膜的结晶度和晶粒尺寸，决定载流子迁移率和扩散长度，影响载流子收集效率；钙钛矿薄膜的缺陷浓度（包括成分纯净度和晶界数量）决定载流子的复合程度，关系到载流子的收集效率和光生电场大小。因此，如何制备全覆盖率、致密的钙钛矿薄

4、膜、提高平整度与增大结晶度，一直是本领域的研究热点。０　引　言已成为太阳能发电具备理想的可持续发展特征，发展可再生能源的最大着力点。针对现有太阳能发电成本居高不下的问题，在保障能量转换效率前提下，简化制备工艺、降低生产成本是第三代太阳能电池的重要使命。有机金属卤化物钙钛矿材料（结构见图１所示）兼具优异光吸收能力、低激子活化能和高载流子迁移率等特点，成膜方式可采用溶液旋涂、刮涂、印刷、常压下气相辅助溶液沉积法等廉价技术，正在掀起一场声势浩大的能源革命。图１为钙钛矿晶体结构的示意［］图，表达通式为Ａ如其中Ａ有机阳离子（ＢＭ３２，２＋２＋、、如ＰＣＨ３ＮＨ３＋等）ｂＭＢ为

5、金属阳离子（ｇ、２＋２＋、、等）ＣａＢａＭ为卤素基团。１　钙钛矿薄膜现有制备工艺业界先后开发了多种围绕着如何提高薄膜质量，１］；制备工艺，分别是：一步溶液沉积法［两步溶液沉积３］４］５］；；。法［气相辅助溶液法［双源蒸镀沉积法［图１　钙钛矿晶体结构的示意图ｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｅｒｏｖｓｋｉｔｅｃｒｓｔａｌＦｉ１Ｓ　ｐｙｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｓｉｎａｔｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａｏｆＡＢＭ３　　ｇｙｐ　英国牛津大学Ｓ１２年１０月，ａｉｔｈ研究组在ｎ０　　２＊１　一步溶液沉积法１．一步溶液沉积法形成钙钛矿薄膜的示意图如图２）（）、、与所示，一般步骤是

6、先把ＰＸｒａｂＸ为ＩＣｌＢ２（、）之间按一定的比例混合溶解在ＣＨ３ＮＨ３Ｘ（Ｘ为ＩＣｌ高沸点的非极性溶剂中组成前驱体的混合溶液，常用、二甲基亚砜的溶剂为Ｎ，ＮＤＭＦ）－二甲基甲酰胺（；；国家自然科学基金资助项目（广东省自然基金资助项目（深圳市基础研究资助项目基金项目：６１５０５１２３）Ｓ２０１２０２００１１００３）（，，）ＪＣＹＪ２０１５０５２５０９２９４０９７６ＪＣＹ２０１３０３２９１１５５２４５１２ＪＣＹＪ２０１６０４２７１６１９３７７００：收到初稿日期：连加荣，收到修改稿日期：通讯作者：２０１６０１６Ｅ－ｍｉｌｌｒｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ０４１０２０９１０ａ＠ｓ－－

7、－－ｊ：（），，，，，作者简介张林星　１９８９－男广东韶关人在读硕士师承连加荣副教授从事钙钛矿太阳能电池制备及机理研究。６０２０５）卷１７年第２期（４８２０、。然后将混合溶液直接旋涂（丁内酯（Ｏ）Ｌ）ＧＢＤＭＳ［］７９－。这在载有ＴＯｉ２基片上之后对薄膜进行退火处理有利于产业化的发展。种方法简单便捷可以低温处理，尽管发展初期，制作的薄膜具有较多的针孔，薄膜覆盖性差，目前该技术发展迅速，已经能实现可控生长平整度高、无针孔、大晶粒尺寸的高质量钙钛矿多晶薄膜。６］图２　钙钛矿薄膜制备工艺示意图［ｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｍ