一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的精准涂布工艺及装置

技术领域

本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，特别是涉及一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的精准涂布工艺及装置。

背景技术

基于钙钛矿半导体的太阳能电池作为新一代光伏技术，已在效率和性能方面有了突破性进展，其光电转换效率已经超过25％。与晶硅太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池以更加清洁、便于应用、制造成本低和效率高、适合于柔性衬底材料等显著优点，迅速成为国际科研和产业关注的热点，其产业化应用也在快速推进中，这将在解决当前能源供需矛盾尖锐、结构不合理、利用效率低以及环境污染等方面发挥重要作用。然而，要实现钙钛矿太阳能电池的市场化应用还面临许多问题，如高效电池的重现性差、钙钛矿材料和器件对空气、水和热的耐受性差，特别是钙钛矿薄膜质量难以控制、缺陷态密度高以及器件存在明显迟滞效应等，这些大大限制了它的产业化进程。

为了使钙钛矿型太阳能电池成为商业化应用的先进技术，需要大面积的沉积技术，其中最有希望的是狭缝涂布技术。这一技术非常适合于钙钛矿型前驱体油墨的沉积，以及器件堆栈中的其他层的制备。作为一种预先计量的涂布方法，与其他沉积方法如旋转涂布或喷绘和丝网印刷相比，它在使用方面效率很高，并且导致非常低的油墨浪费水平。众所周知，通过溶液涂布法制备半导体薄膜是现代微电子工业的根基，其具有工艺简单、价格低廉、用途广泛、影响深远等优点。近年来，溶液旋涂法也是有机、钙钛矿基的LED、光伏和探测器等新型光电器件制备的重要手段。然而，以钙钛矿半导体材料为代表的薄膜样品制备通常需要在手套箱环境下完成，传统的实验研究大多在空气环境下进行，这显然很难反映薄膜结构与器件性能间的真实关联，因此急需对溶液成膜过程的微结构演变开展原位实时研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的精准涂布工艺及装置，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的精准涂布工艺，包括以下步骤：

S1、清洗氧化铟锡导电PEN衬底，然后用氮气枪吹干得到干净的氧化铟锡电极层氧化铟锡基底；

S2、对氧化铟锡电极层进行紫外臭氧等离子体处理；

S3、待衬底温度恢复常温后，涂布氧化锡前驱体水溶液和金属有机框架材料改性氧化锡前驱体水溶液，退火得到电子传输层；

S4、将样品转入手套箱中，使用刮涂机构开展小面积全柔性钙钛矿太阳能电池的制备；

S5、将薄膜室温下静置一段时间，然后退火得到银色的钙钛矿层，进一步涂布含有PEAI的异丙醇溶液进行薄膜表面钝化处理；

S6、在钙钛矿层上旋涂Spiro氯苯溶液得到空穴传输层，无需额外的退火，并进行氧化处理；

S7、通过掩膜板将氧化钼薄层和Au膜热蒸发沉积到Spiro/钙钛矿/SnO

优选的，S1中，采用洗涤剂、丙酮、乙醇、去离子水依次对氧化铟锡导电玻璃衬底进行清洗。

优选的，S4中，以稳定速度并联合使用风刀刮涂钙钛矿前驱体溶液，在风刀的作用下延迟进行反溶剂氯苯气氛的熏蒸，并保持基板温度稳定。

一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的精准涂布装置，用于上述的一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的精准涂布工艺，其特征在于，包括：

手套箱，所述手套箱前侧安装有视窗，所述手套箱右侧安装有探测窗，所述手套箱内固接有监视器；

刮涂机构，所述刮涂机构包括风箱，所述风箱顶端固定嵌设有基板，所述基板上方设置有刮刀，所述刮刀横跨所述基板并与所述风箱滑接，所述刮刀上固接有风刀，所述风箱侧壁固接有显示面板。

优选的，所述视窗包括第一窗口和光学玻璃，所述手套箱前侧开设有第一窗口，所述第一窗口内固接有光学玻璃。

优选的，所述探测窗包括第二窗口和开普顿膜，所述手套箱右侧开设有第二窗口，所述第二窗口内固接有开普顿膜。

优选的，所述开普顿膜的厚度小于0.25mm。

本发明公开了以下技术效果：

1、采用本发明的涂布工艺制作出的钙钛矿太阳能电池器件，具有较高的稳态功率转换效率，同时也表现出出色的抗湿和耐光稳定性等。

2、本发明的涂布装置能够在可实现标准手套箱环境(H

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的精准涂布装置的轴测图；

图2为刮涂机构的轴侧图；

图3为刮涂机构的俯视图；

图4为最佳柔性平面钙钛矿器件JV曲线；

图5为器件稳定性测试；

其中，1、基板；2、显示面板；3、刮刀；4、风刀；5、风箱；6、视窗；7、手套箱；8、涂布机构；9、监视器；10、探测窗。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的精准涂布工艺，包括以下步骤：

S1、清洗氧化铟锡导电PEN衬底，然后用氮气枪吹干得到干净的氧化铟锡电极层氧化铟锡基底；

S2、对氧化铟锡电极层进行紫外臭氧等离子体处理；

S3、待衬底温度恢复常温后，涂布氧化锡前驱体水溶液和金属有机框架材料改性氧化锡前驱体水溶液，退火得到电子传输层；

S4、将样品转入手套箱7中，使用刮涂机构8开展小面积全柔性钙钛矿太阳能电池的制备；

S5、将薄膜室温下静置一段时间，然后退火得到银色的钙钛矿层，进一步涂布含有PEAI的异丙醇溶液进行薄膜表面钝化处理；

S6、在钙钛矿层上旋涂Spiro氯苯溶液得到空穴传输层，无需额外的退火，并进行氧化处理；

S7、通过掩膜板将氧化钼薄层和Au膜热蒸发沉积到Spiro/钙钛矿/SnO

进一步的，S1中，采用洗涤剂、丙酮、乙醇、去离子水依次对氧化铟锡导电玻璃衬底进行清洗。

进一步的，S4中，以稳定速度并联合使用风刀4刮涂钙钛矿前驱体溶液，在风刀4的作用下延迟进行反溶剂氯苯气氛的熏蒸，并保持基板1温度稳定。

一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的精准涂布装置，用于上述的一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的精准涂布工艺，包括：

手套箱7，手套箱7前侧安装有视窗6，手套箱7右侧安装有探测窗10，手套箱7内固接有监视器9，监视器9能够可视化实时观测有机或钙钛矿薄膜成膜过程中的微结构演变；

刮涂机构8，刮涂机构8包括风箱5，风箱5顶端固定嵌设有基板1，基板1具有吸附衬底和加热的功能，可实现室温至500℃范围内的器件热处理实验，温度精度为0.1℃，基板1上方设置有刮刀3，刮刀3横跨基板1并与风箱5滑接，刮刀3上固接有风刀4，风箱5侧壁固接有显示面板2，显示面板2用于显示和控制刮速、温度。

进一步的，刮涂机构8能够远程控制。

进一步的，视窗6包括第一窗口和光学玻璃，手套箱7前侧开设有第一窗口，第一窗口内固接有光学玻璃。

进一步的，探测窗10包括第二窗口和开普顿膜，手套箱7右侧开设有第二窗口，第二窗口内固接有开普顿膜，保证大角度的光线信号的采集。

进一步的，开普顿膜的厚度小于0.25mm，可减少对射线透射信号的损耗。

进一步的，手套箱7背部布置有传感器(图中未画出)、净化接口(图中未画出)和检修口(图中未画出)，手套箱7顶端固接有照明系统(图中未画出)和滴胶泵机构(图中未画出)。

进一步的，基板1的尺寸为180mm*250mm。

图4中，基于该装置所制备的柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换性能曲线，其光电转换效率达23.8％。

图5中，是根据本发明在制作的平面钙钛矿太阳能电池与传统的钙钛矿太阳能电池的稳定性能对比示意图，RH为相对湿度。在无封装的条件下，处于25℃的40-60％湿度下暴露1000小时后，本发明的器件表现出出色的抗湿和耐光稳定性等，稳定工作1000小时器件仍保持初始效率的90％以上。这表明，本发明的全柔性平面钙钛矿太阳能电池通过掺入MOFs可以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，这是由于复合电子传输层SnO

实施例一：

用洗涤剂、丙酮、乙醇、去离子水依次清洗氧化铟锡导电PEN衬底，然后用氮气枪吹干得到干净的氧化铟锡电极层氧化铟锡(Indium Tin Oxides，ITO)基底。另对氧化铟锡电极层ITO进行10min的紫外臭氧等离子体处理，待衬底温度恢复常温后，采用一步旋涂法，以3000转/40s旋涂氧化锡(Tin(IV)oxide，SnO

测试基于复合电子传输层(SnO

实施例二：

用洗涤剂、丙酮、乙醇、去离子水依次清洗氧化铟锡导电PEN衬底，然后用氮气枪吹干得到干净的氧化铟锡电极层氧化铟锡(Indium Tin Oxides，ITO)基底。另对氧化铟锡电极层ITO进行10min的紫外臭氧等离子体处理，待衬底温度恢复常温后，采用一步旋涂法，以3000转/40s旋涂氧化锡(Tin(IV)oxide，SnO

测试平面钙钛矿太阳能电池的器件性能，其转换效率达20.96％，开路电压为1.11V，短路电流密度为24.15mA/cm

实施例三：

用洗涤剂、丙酮、乙醇、去离子水依次清洗氧化铟锡导电PEN衬底，然后用氮气枪吹干得到干净的氧化铟锡电极层氧化铟锡(Indium Tin Oxides，ITO)基底。另对氧化铟锡电极层ITO进行10min的紫外臭氧等离子体处理，待衬底温度恢复常温后，采用刮涂涂布工艺，以3000转/40s旋涂氧化锡(Tin(IV)oxide，SnO

本发明所制备的大面积钙钛矿柔性太阳能电池表现出20％以上的光电转换效率，其具体输出参数为：开路电压9.80V，填充因子65％，短路电流密度3.2mA/cm2，光电转换效率为20.38％。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。