一种钙钛矿薄膜制备装置及方法

技术领域

本申请涉及太阳能电池制备领域，具体而言，涉及一种钙钛矿薄膜制备装置及方法。

背景技术

近年来太阳能电池作为制备简便、成本低廉的清洁能源得到了快速的发展。区别于传统硅基和其他太阳能电池，钙钛矿太阳能电池具有理论光电转换效率高、制备工艺简便、制备成本较硅基电池等电池更低等优势受到了广泛的关注和研究。

目前，制备钙钛矿薄膜大多采用管式炉为反应装置，但是管式炉的温度均匀性不高。此外，当管式炉加温或保温时，靠近真空管壁一侧的温度与设定温度相近，而真空管中心的实际温度与靠近真空管壁一侧的实际温度相差很大而且难以控制，导致在管式炉装置中制备的钙钛矿薄膜反应速度不均匀，进而造成了钙钛矿薄膜的整体不均匀，影响其光电性能。

发明内容

本申请的目的在于提供一种钙钛矿薄膜制备装置及方法，其能够制备得到保形良好、均匀且致密的钙钛矿薄膜。

本申请是这样实现的：

本申请提供钙钛矿薄膜制备装置，其包括：

石英管，石英管的两端封闭；

一对加热板，一对加热板上下相对布置地设于石英管内且被配置成可向相互靠近或远离方向移动；

气罐，气罐通过进气管与石英管一端连通，进气管上设有第一截止阀；

真空泵，真空泵通过出气管与石英管另一端连通，出气管上设有第二截止阀；

温控仪，温控仪用于控制加热板的温度。

在一些可选的实施方案中，石英管的两端分别通过法兰盘连通进气管和出气管，法兰盘连接有两个分别与一对加热板和温控仪电连接的真空接线柱。

在一些可选的实施方案中，进气管上设有用于检测石英管内气压的气压计。

在一些可选的实施方案中，一对加热板之间连接有至少一根螺纹杆，螺纹杆旋转时使一对加热板向相互靠近或远离方向移动。

本申请还提供了一种钙钛矿薄膜制备方法，包括以下步骤：

在一对相对布置的加热板表面分别设置具有薄膜层的基板和粉末层，使薄膜层和粉末层上下相对布置；薄膜层为碘化铅薄膜、溴化铯薄膜或碘化铅和溴化铯复合薄膜；粉末层中粉末为甲胺氢碘酸盐、甲脒氢碘酸盐、甲基氯化胺、甲脒盐酸盐中一种或多种的混合物；

将一对加热板的间距调节为0.5cm～3cm后在0.1～200Pa的压力下加热至120～200℃进行反应，保温5～120min后通入氮气至气压达到大气压，在基板表面形成钙钛矿薄膜。

在一些可选的实施方案中，薄膜层的厚度为100～300nm。

在一些可选的实施方案中，将加热板加热时，以1～10℃0min的速度升温。

在一些可选的实施方案中，将加热板加热至140～170℃进行反应。

在一些可选的实施方案中，将加热板在0.1～10Pa的压力进行反应。

在一些可选的实施方案中，基板为导电玻璃板。

本申请的有益效果是：本申请提供的钙钛矿薄膜制备装置及方法通过采用一对上下相对布置的加热板分别加热原料和前驱体，使原料固体受热升华并与受热均匀的前驱体基板接触进行气-固反应，并通过压力控制辅助钙钛矿结晶形成钙钛矿薄膜，从而制备得到适用于大面积基板上的保形良好、均匀且致密的钙钛矿薄膜。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的钙钛矿薄膜制备装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的钙钛矿薄膜制备方法中在一对相对布置的加热板表面分别设置具有薄膜层的基板和粉末层的示意图；

图3为本申请实施例1提供的钙钛矿薄膜制备方法制备的钙钛矿薄膜表面的SEM图；

图4为本申请实施例1提供的钙钛矿薄膜制备方法制备的钙钛矿薄膜横截面的SEM图；

图5为本申请实施例2提供的钙钛矿薄膜制备方法制备的钙钛矿薄膜表面的SEM图；

图6为本申请实施例2提供的钙钛矿薄膜制备方法制备的钙钛矿薄膜横截面的SEM图。

图中：100、石英管；110、加热板；120、气罐；130、进气管；140、第一截止阀；150、真空泵；160、出气管；170、第二截止阀；180、温控仪；190、法兰盘；200、真空接线柱；210、气压计；220、螺纹杆；300、基板；310、薄膜层；320、粉末层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以下结合实施例对本申请的钙钛矿薄膜制备装置及方法的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，本申请实施例提供一种钙钛矿薄膜制备装置，其包括石英管100、一对上下相对布置地设于石英管100内的加热板110、设于石英管100一端的气罐120、设于石英管100另一端的真空泵150及温控仪180，石英管100的两端分别连接有用于封闭其端部的可拆卸的法兰盘190，气罐120通过进气管130与石英管100一端的法兰盘190连通，进气管130上设有第一截止阀140和气压计210，气压计210位于第一截止阀140和对应法兰盘190之间，真空泵150通过出气管160与石英管100另一端的法兰盘190连通，出气管160上设有第二截止阀170，两个加热板110之间连接有两根螺纹杆220，每根螺纹杆220的两端分别通过螺纹贯穿两个加热板110，螺纹杆220旋转时使一对加热板110向相互靠近或远离方向移动；法兰盘190连接有两个真空接线柱200，每个真空接线柱200的两端分别与温控仪180和两个加热板110电连接，温控仪180通过两个真空接线柱200分别控制两个加热板110的加热温度。

本申请还提供了一种钙钛矿薄膜制备方法，其是通过上述钙钛矿薄膜制备装置进行的，其包括以下步骤：

如图2所示，在一对相对布置的加热板110表面分别设置具有薄膜层310的基板300和粉末层320，使薄膜层310和粉末层320上下相对布置；薄膜层310为碘化铅薄膜、溴化铯薄膜或碘化铅和溴化铯复合薄膜；粉末层320中粉末为甲胺氢碘酸盐、甲脒氢碘酸盐、甲基氯化胺、甲脒盐酸盐中一种或多种的混合物；可选的，基板300为导电玻璃板；可选的，薄膜层310的厚度为100～300nm。其中，所述碘化铅和溴化铯复合薄是指碘化铅薄膜在上和溴化铯薄膜在下叠合或碘化铅薄膜在下和溴化铯薄膜在上叠合形成的叠层薄膜。

将一对加热板110的间距调节为0.5cm～3cm后在0.1～200Pa的压力下加热至120～200℃进行反应，保温5～120min后通入氮气至气压达到大气压，在基板300表面形成钙钛矿薄膜。可选的，将加热板110加热时，以1～10℃0min的速度升温。可选的，将加热板110加热至140～170℃进行反应。可选的，将加热板110在0.1～10Pa的压力进行反应。

本申请实施例提供的钙钛矿薄膜制备装置及方法通过采用一对上下相对布置的加热板110分别加热具有前驱体薄膜层310的基板300和原料固体粉末层320，使原料固体在预设温度下受热升华并与基板300上薄膜层310前驱体在预设温度下接触进行气-固反应，并通过精确的压力控制辅助钙钛矿结晶在基板300上均匀的形成，从而制备得到适用于大面积基板上的保形良好、均匀且致密的钙钛矿薄膜。

实施例1

本申请实施例提供了一种钙钛矿薄膜制备方法，其是使用上述钙钛矿薄膜制备装置实现的，包括以下步骤：

将表面具有薄膜层310的基板300固定在位于上方的加热板110底面，薄膜层310为碘化铅和溴化铯复合薄膜，基板300为导电玻璃板，在位于下方的加热板110顶面喷涂甲脒氢碘酸盐粉末形成粉末层320。

旋转两根螺纹杆220调节一对加热板110的间距，使一对加热板110之间的间距变成0.5cm，将一对加热板110转移至石英管100内，将法兰盘190固定并封闭石英管100两端，关闭第一截止阀140并打开第二截止阀170，控制真空泵150通过出气管160将石英管100抽真空，直至气压计210检测石英管100内压力下降至0.1Pa后，关闭第二截止阀170。

打开温控仪180，使用温控仪180控制位于上方的加热板110加热至140℃，升温速率为1℃0min，并控制位于下方的加热板110加热至200℃，升温速率为1℃0min。

当两个加热板110均加热到预定温度之后，保温5min，使用温控仪180控制两个加热板110停止加热，打开第一截止阀140将气罐120内氮气通入至石英管100内，直至气压计210检测石英管100内压力达到大气压后，关闭第一截止阀140，拆卸法兰盘190，取出两个加热板110，在基板300表面反应生成钙钛矿薄膜，钙钛矿薄膜的SEM图如图3和图4所示。

实施例2：

本申请实施例提供了一种钙钛矿薄膜制备方法，其是使用上述钙钛矿薄膜制备装置实现的，包括以下步骤：

将表面具有薄膜层310的基板300固定在位于上方的加热板110底面，薄膜层310为碘化铅和溴化铯复合薄膜，基板300为导电玻璃板，在位于下方的加热板110顶面喷涂甲脒氢碘酸盐与甲基氯化铵粉末的混合物形成粉末层320。

旋转两根螺纹杆220调节一对加热板110的间距，使一对加热板110之间的间距变成3cm，将一对加热板110转移至石英管100内，将法兰盘190固定并封闭石英管100两端，关闭第一截止阀140并打开第二截止阀170，控制真空泵150通过出气管160将石英管100抽真空，直至气压计210检测石英管100内压力下降至0.1Pa后，关闭第二截止阀170。

打开温控仪180，使用温控仪180控制位于上方的加热板110加热至160℃，升温速率为10℃0min，并控制位于下方的加热板110加热至140℃，升温速率为10℃0min。

当两个加热板110均加热到预定温度之后，保温120min，使用温控仪180控制两个加热板110停止加热，打开第一截止阀140将气罐120内氮气通入至石英管100内，直至气压计210检测石英管100内压力达到大气压后，关闭第一截止阀140，拆卸法兰盘190，取出两个加热板110，在基板300表面反应生成钙钛矿薄膜，钙钛矿薄膜的SEM图如图5和图6所示。

实施例3

本申请实施例提供了一种钙钛矿薄膜制备方法，其是使用上述钙钛矿薄膜制备装置实现的，包括以下步骤：

将表面具有薄膜层310的基板300固定在位于上方的加热板110底面，薄膜层310为碘化铅薄膜，基板300为导电玻璃板，在位于下方的加热板110顶面喷涂甲胺氢碘酸盐粉末形成粉末层320。

旋转两根螺纹杆220调节一对加热板110的间距，使一对加热板110之间的间距变成1cm，将一对加热板110转移至石英管100内，将法兰盘190固定并封闭石英管100两端，关闭第一截止阀140并打开第二截止阀170，控制真空泵150通过出气管160将石英管100抽真空，直至气压计210检测石英管100内压力下降至10Pa后，关闭第二截止阀170。

打开温控仪180，使用温控仪180控制位于上方的加热板110加热至160℃，升温速率为5℃0min，并控制位于下方的加热板110加热至165℃，升温速率为7℃0min。

当两个加热板110均加热到预定温度之后，保温30min，使用温控仪180控制两个加热板110停止加热，打开第一截止阀140将气罐120内氮气通入至石英管100内，直至气压计210检测石英管100内压力达到大气压后，关闭第一截止阀140，拆卸法兰盘190，取出两个加热板110，在基板300表面反应生成钙钛矿薄膜。

实施例4

本申请实施例提供了一种钙钛矿薄膜制备方法，其是使用上述钙钛矿薄膜制备装置实现的，包括以下步骤：

将表面具有薄膜层310的基板300固定在位于上方的加热板110底面，薄膜层310为碘化铅和溴化铯薄膜，基板300为导电玻璃板，在位于下方的加热板110顶面喷涂甲脒氢碘酸盐与甲脒盐酸盐粉末的混合物形成粉末层320。

旋转两根螺纹杆220调节一对加热板110的间距，使一对加热板110之间的间距变成2cm，将一对加热板110转移至石英管100内，将法兰盘190固定并封闭石英管100两端，关闭第一截止阀140并打开第二截止阀170，控制真空泵150通过出气管160将石英管100抽真空，直至气压计210检测石英管100内压力下降至0.1Pa后，关闭第二截止阀170。

打开温控仪180，使用温控仪180控制位于上方的加热板110加热至150℃，升温速率为5℃0min，并控制位于下方的加热板110加热至170℃，升温速率为5℃0min。

当两个加热板110均加热到预定温度之后，保温45min，使用温控仪180控制两个加热板110停止加热，打开第一截止阀140将气罐120内氮气通入至石英管100内，直至气压计210检测石英管100内压力达到大气压后，关闭第一截止阀140，拆卸法兰盘190，取出两个加热板110，在基板300表面反应生成钙钛矿薄膜。

以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。