CN104124295A - 一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有平面异质结结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，它包括衬底和依次层叠于该衬底上的透明电极、致密层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和对电极。本发明通过在致密层和钙钛矿吸光层之间增加界面修饰层，对致密层进行界面修饰来使其表面形成超薄钝化层，改善钙钛矿吸光层成膜质量，降低界面接触电阻，有效防止致密层与钙钛矿吸光层及空穴传输层直接接触，避免钙钛矿吸光层发生分解，降低电子逆向复合及漏电流的产生，进而显著提高电池的光电转换效率和稳定性。

Description

一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及钙钛矿基薄膜太阳能电池技术领域，特别涉及一种具有平面异质结结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能光伏技术是绿色能源的重要组成部分，发展新型高效率、长寿命、低成本且环境友好型的太阳电池材料与技术，一直是太阳能电池发展的主要方向。在各种新型的太阳电池中，具有层状结构钙钛矿型有机卤化铅材料（如CH3NH3PbI 3）由于直接带隙、高吸光系数、高载流子迁移率等独特的光电性能，受到了众多科研人员的关注，被广泛用作薄膜太阳电池的吸光层材料。随着钙钛矿太阳电池技术的发展，基于这种吸光材料电池器件光电转换效率高达17.9%，具有很大的应用潜力。
目前，钙钛矿太阳电池的构造通常采用体相异质结结构、平面异质结结构和无空穴输运材料异质结结构等。传统的体相异质结结构为具有支架层的介观电池：包括致密层、支架层、吸光层、空穴传输层、对电极。由于金属卤化物钙钛矿材料具有很高的电子迁移率，钙钛矿太阳电池结构也逐渐由最初的钙钛矿敏化、金属氧化物支架层逐渐发展到简单、高效的平面异质结结构。平面异质结典型结构为FTO/致密层/钙钛矿吸光层/空穴传输层/金属电极。
但是，对于平面异质结钙钛矿基太阳能电池，还存在以下几个方面的问题：
（1）致密层采用光活性很强的半导体材料，在紫外光照下，具有光催化效应，产生的电子-空穴对与钙钛矿吸光层直接接触，诱导钙钛矿吸光层发生分解，显著降低电池稳定性。
（2）在致密层表面直接生长钙钛矿层，致密层表面缺陷会导致其与钙钛矿层的界面形成复合中心，增加界面接触电阻，阻碍电子有效传输。
（3）界面效应及钙钛矿结晶时巨大的表面张力使钙钛矿层成膜性差，容易形成孤岛现象，使钙钛矿层的孔洞变多。空穴传输层有可能通过孔洞与致密层直接接触，使漏电流增大。 
以上因素，极大地限制了钙钛矿基薄膜太阳电池技术的发展。在该技术领域，目前的关键问题是能够通过采用简单的技术手段，优化器件结构，提高电池的光电转换效率和稳定性。
发明内容
本发明要求解决的技术问题是针对上述存在的问题和不足，提供一种平面异质结钙钛矿太阳能电池，通过在钙钛矿成膜前，对致密层进行界面修饰来使其表面形成超薄钝化层，改善钙钛矿吸光层成膜质量，降低界面接触电阻，有效防止致密层与钙钛矿吸光层及空穴传输层直接接触，避免钙钛矿吸光层发生分解，降低电子逆向复合及漏电流的产生，进而显著提高电池的光电转换效率和稳定性。
本发明另一个的目的是提供这种电池的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种平面异质结钙钛矿太阳能电池，其包括衬底和依次层叠于该衬底上的透明电极、致密层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和对电极。
上述平面异质结钙钛矿太阳能电池，所述界面修饰层可以采用SiO2、Al2O3、ZrO2、Si-Nx和AlN中的任意一种或两种材料形成；所述的界面修饰层厚度为0.5-10nm，优选0.6-5nm。
上述平面异质结钙钛矿太阳能电池，所述界面修饰层的制备方法可以采用原子层沉积法（ALD）、物理气相沉积法（PVD）、等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、喷涂法和旋涂法中的任意一种。
上述平面异质结钙钛矿太阳能电池，所述致密层可以采用TiO2、SnO2和ZnO中的任意一种半导体材料形成；所述致密层的厚度为20-150nm，优选35-50nm。
上述平面异质结钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿吸光层选自化学通式为ABXmY3-m 型晶体结构的一种或多种材料形成，其中A=CH3NH3、C4H9NH3、NH2= CHNH2；B=Pb、Sn；X,Y= Cl、Br、I；m=1、2、3。所述的钙钛矿吸光层的厚度为100-800nm，优选150-350nm。
上述平面异质结钙钛矿太阳能电池，所述空穴传输层可以采用有机材料或无机材料形成，所述有机材料选自Spiro-OMeTAD、P3HT、PCPDTBT、PEDOT:PSS、NPB和TPD中的任意一种；所述无机材料选自CuI、CuSCN、NiO、V2O5和MoO3中的任意一种；所述的空穴传输层的厚度为5-500nm，优选10-150nm。
一种制备如上所述平面异质结钙钛矿太阳能电池的方法，它包括以下步骤：
a.         透明电极蚀刻、清洗、干燥、紫外/臭氧处理；
b.        在透明电极表面沉积半导体材料，形成致密层薄膜；
c.         在致密层表面沉积界面修饰材料，形成超薄界面修饰层薄膜；
d.        在超薄界面修饰层表面沉积钙钛矿晶体结构材料，形成钙钛矿吸光层薄膜；
e.         在钙钛矿吸光层表面沉积空穴传输层材料，形成空穴传输薄膜；
f.         在空穴传输层表面制备对电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
（1）本发明通过在致密层和钙钛矿吸光层之间增加界面修饰层，避免了致密层与钙钛矿层直接接触，抑制了致密层在紫外光照下产生光催化诱导作用引起的钙钛矿吸光层的分解，显著提高了电池的稳定性。
（2）本发明通过在钙钛矿吸光层成膜前，对致密层表面进行界面修饰，致密层表面被钝化，其表面态密度及光催化活性均降低。使钙钛矿吸光层结形成更为平滑、致密的结晶层，减少界面复合中心，降低接触电阻，提高了电池的电流密度和开路电压。
（3）本发明增加界面修饰层后，也可以避免致密层与空穴传输层直接接触而产生漏电流，防止光电子逆向复合，有效的提高了电池的填充因子。
附图说明
图1为本发明的太阳能电池结构示意图。
图中个标号表示为：1-衬底、2-透明电极、3-致密层、4-界面修饰层、5-钙钛矿吸光层；6-空穴传输层；7-对电极。
具体实施方式
图1 是本发明的平面异质结钙钛矿太阳能电池的结构示意图，它包括衬底1，设置在衬底1 上的透明电极2，在透明电极2上形成半导体材料的致密层3，在致密层3上形成界面修饰层4，在界面修饰层4上形成的钙钛矿吸光层5，在钙钛矿吸光层5上形成的空穴传输层6，在空穴传输层6上形成的对电极7。
本发明的衬底1和透明电极2的材料没有特殊限制，衬底1可以为透明玻璃或透明塑料薄膜，透明电极2可以为铟锡氧化物（ITO）、氟锡氧化物（FTO）或铝锌氧化物（AZO），优选ITO导电玻璃或FTO导电玻璃，方块电阻为5~120Ω/□，优选8~30Ω/□。
致密层3沉积于透明电极2表面，在钙钛矿太阳能电池器件中用作电子传输层，起传输电子、阻挡空穴、防止电子空穴复合作用。致密层3可以采用TiO2、SnO2和ZnO中的任意一种半导体材料形成，其制备方法可选用丝网印刷法、旋涂法、气溶胶喷雾法或原子层沉积法（ALD）。致密层薄膜厚度为20-150nm，优选35-50nm，太厚的话，一方面会阻碍器件中产生电子的传输，另一方面会阻碍太阳光的透过；太薄的话，起不到阻挡空穴的作用，容易产生漏电和电子空穴对的复合。
界面修饰层4沉积于致密层3表面，用于钝化、平滑致密层表面，降低致密层表面态密度及光催化活性，抑制电子回传，防止钙钛矿吸光层5、空穴传输层6与致密层3直接接触，提高电池的光电转换效率和在光照下的稳定性。界面修饰层4可以采用SiO2、Al2O3、ZrO2、Si-Nx和AlN中的任意一种或两种绝缘材料形成，其制备方法可选用原子层沉积法（ALD）、物理气相沉积法（PVD）、等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、喷涂法和旋涂法中的任意一种。界面修饰层薄膜厚度为0.5-10nm，优选0.6-5nm，太厚的话，阻碍电子从钙钛矿吸光层5到致密层3的传输；太薄的话，薄膜不能完整、均匀的覆盖在致密层3表面，不能充分起到钝化和平滑作用。
钙钛矿吸光层5沉积于界面修饰层4表面，用于吸收太阳光。钙钛矿吸光层5选自化学通式为ABXmY3-m 型晶体结构的一种或多种材料形成，其中A=CH3NH3、C4H9NH3、NH2= CHNH2；B=Pb、Sn；X,Y= Cl、Br、I；m=1、2、3。钙钛矿吸光层5可通过液相一步法、液相两步法、气相共蒸发沉积法和气相辅助液相法中的任意一种方式实现，形成有机无机混合结晶薄膜的厚度为100-800nm，优选150-350nm，太厚的话，电子和空穴不能及时传输到外电路而在内部复合；太薄的话，不能充分吸收太阳光。
空穴传输层6沉积于钙钛矿吸光层5表面，起传输空穴、阻挡电子的作用。空穴传输层6选用具有高空穴迁移率的材料，可以选择有机材料，也可以选择无机材料，其中有机材料选自Spiro-OMeTAD、P3HT、PCPDTBT、PEDOT:PSS、NPB和TPD中的任意一种，无机材料选自CuI、CuSCN、NiO、V2O5和MoO3中的任意一种，优选Spiro-OMeTAD。空穴传输层6制备方法为将空穴传输材料均匀分散于有机溶剂中，形成透明均匀的溶液，将该溶液通过旋涂法、提拉法或丝网印刷法涂覆在钙钛矿吸光层5的表面形成空穴传输层薄膜，厚度为5-500nm，优选10-150nm，太厚的话，阻碍钙钛矿吸光层中空穴向对电极的传输；太薄的话，不足以阻挡电子传输，会造成电子空穴复合。
对电极7沉积于空穴传输层6 表面，采用具有较高功函数的材料，可以选择金属材料，也可以选择非金属材料，其中金属材料选自金、银、铝和铂中的任意一种，非金属材料选自碳和PEDOT:PSS，其制备方法可选用真空热蒸镀法或丝网印刷法。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
第一步，制备透明电极：
将ITO导电玻璃用浓盐酸刻蚀成电极图案，依次用洗涤剂、去离子水、无水乙醇、丙酮、异丙醇中分别超声清洗10min，然后氮气吹干，紫外/臭氧处理20min。
第二步，制备致密层：
采用丝网印刷法在透明电极表面涂布纳米TiO2颗粒胶体的前驱体溶液，然后放入马弗炉450℃高温烧结30min，形成厚度为45nm的致密层。
第三步，制备界面修饰层：
在致密层表面通过旋涂法制备界面修饰层，将纳米Al2O3浆料（颗粒平均直径20nm，固含量2.5%）旋涂于致密层表面，转速6500rpm、时间40s，然后在150℃加热退火30min，形成厚度为3nm的Al2O3界面修饰层。
第四步，制备钙钛矿吸光层：
氮气保护下，在界面修饰层表面通过液相一步法制备钙钛矿吸光层，将等物质量PbI2和CH3NH3I共同溶解在DMF溶液中，制成浓度为40wt%的前驱体溶液；取一定溶液将其旋涂于界面修饰层表面，转速3000rpm、时间30s，然后在100℃加热退火45min，形成210nm厚的CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层。
第五步，制备空穴传输层：
氮气保护下，在钙钛矿吸光层上采用旋涂法制备空穴传输层，将80 mg spiro-OMeTAD、28.5ml的t-BP、17.5ml Li-TFSI加入到1 ml 的氯苯中，溶解配制成溶液旋涂于钙钛矿吸光层表面，转速4000 rpm，时间30 s，得到厚度为100nm的空穴传输层。 
第六步，制备对电级：
在空穴传输层表面采用热蒸发方式制备金电极，在1×10-5Pa真空度下，真空蒸镀厚度为100nm的金膜形成对电极。
上述方法制备的平面异质结钙钛矿太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/TiO2/
Al2O3/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au，有效面积为0.09cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件：光谱分布AM1.5G，光照强度1000W/m2，AAA 太阳光模拟器(日本SAN-EI 公司XES-502S+ELS155型)，I-V 曲线用Keithly2400 型数字源表进行测量，所有测试均在大气环境（25℃、45RH%）下进行。
实施例2
第三步，制备界面修饰层：
在致密层表面通过等离子体增强化学气相沉积法制备厚度为2nm的SiO2界面修饰层。
其它步骤制备方法同实施例1。
用上述方法制备的平面异质结钙钛矿太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/TiO2/
SiO2/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au，有效面积为0.09cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
实施例3
第三步，制备界面修饰层：
在致密层表面通过喷涂法制备界面修饰层，将纳米ZrO2浆料（颗粒平均直径20nm，固含量5%）喷涂于致密层表面，然后在400℃加热退火30min，形成厚度为5nm的ZrO2界面修饰层。
其它步骤制备方法同实施例1。
用上述方法制备的平面异质结钙钛矿太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/TiO2/
ZrO2/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au，有效面积为0.09cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
实施例4
第三步，制备界面修饰层：
在致密层表面通过物理气相沉积法制备厚度为0.6nm的Si-Nx界面修饰层。
其它步骤制备方法同实施例1。
用上述方法制备的平面异质结钙钛矿太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/TiO2/
Si-Nx/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au，有效面积为0.09cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
实施例5
第三步，制备界面修饰层：
在致密层表面通过原子层沉积法制备界面修饰层，以三甲基铝（TMA）和氨气（NH3）为源，沉积速率为每周期0.1nm，重复10次制得厚度为1nm的AlN界面修饰层。
其它步骤制备方法同实施例1。
用上述方法制备的平面异质结钙钛矿太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/TiO2/
AlN/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au，有效面积为0.09cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
实施例6
第三步，制备界面修饰层：
在致密层表面通过喷涂法制备界面修饰层，将含有纳米颗粒ZrO2和Al2O3的浆料（颗粒平均直径20nm，固含量5%）喷涂于致密层表面，然后在400℃加热退火30min，形成厚度为4nm的ZrO2: Al2O3界面修饰层。
其它步骤制备方法同实施例1。
用上述方法制备的平面异质结钙钛矿太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/TiO2/
ZrO2: Al2O3/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au，有效面积为0.09cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
实施例7
第三步，制备界面修饰层：
在致密层表面通过原子层沉积法制备双层界面修饰层Al2O3/AlN，先以三甲基铝和水源，沉积速率为每周期0.1nm，重复10次制得厚度为1nm的Al2O3薄膜，接着在Al2O3薄膜表面以三甲基铝和氨气为源，沉积速率为每周期0.1nm，重复5次制得厚度为0.5nm的AlN薄膜，即制得厚度为1.5nm的双层界面修饰层Al2O3/AlN。
其它步骤制备方法同实施例1。
用上述方法制备的平面异质结钙钛矿太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/TiO2/
Al2O3/AlN/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au，有效面积为0.09cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
实施例8
第三步，制备界面修饰层：
在致密层表面通过等离子体增强化学气相沉积法制备厚度为2.5nm的双层界面修饰层SiO2/ Si-Nx。
其它步骤制备方法同实施例1。
用上述方法制备的平面异质结钙钛矿太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/TiO2/
SiO2/ Si-Nx/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au，有效面积为0.09cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
对比例1
无界面修饰层。
其它步骤制备方法同实施例1。
用上述方法制备的平面异质结钙钛矿太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/TiO2/
CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au，有效面积为0.09cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
表1：实施例和对比例数据
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也不应被认为超出了本发明权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种平面异质结钙钛矿太阳能电池，其包括衬底和依次层叠于该衬底上的透明电极、致密层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和对电极。
2.根据权利要求1所述一种平面异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的界面修饰层可以采用SiO2、Al2O3、ZrO2、SiNx和AlN中的任意一种或两种材料形成；所述的界面修饰层厚度为0.5-10nm，优选0.6-5nm。
3.根据权利要求2所述的一种平面异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述界面修饰层的制备方法可以采用原子层沉积法（ALD）、物理气相沉积法（PVD）、等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、喷涂法和旋涂法中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的一种平面异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述致密层可以采用TiO2、SnO2和ZnO中的任意一种半导体材料形成；所述的致密层的厚度为20-150nm，优选35-50nm。
5.根据权利要求4所述的一种平面异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层选自化学通式为ABXmY3-m 型晶体结构的一种或多种材料形成，其中A=CH3NH3、C4H9NH3、NH2= CHNH2；B=Pb、Sn；X,Y= Cl、Br、I；m=1、2、3,所述钙钛矿吸光层的厚度为100-800nm，优选150-350nm。
6.根据权利要求5所述的一种平面异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
所述的空穴传输层可以采用有机材料或无机材料形成，所述有机材料选自Spiro-OMeTAD、P3HT、PCPDTBT、PEDOT:PSS、NPB和TPD中的任意一种；所述无机材料选自CuI、CuSCN、NiO、V2O5和MoO3中的任意一种；所述的空穴传输层的厚度为5-500nm，优选10-150nm。
7.一种制备如权利要求1-6所述的平面异质结钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，它按如下步骤进行：
透明电极蚀刻、清洗、干燥、紫外/臭氧处理；
在透明电极表面沉积半导体材料，形成致密层薄膜；
在致密层表面沉积界面修饰材料，形成超薄界面修饰层薄膜；
在超薄界面修饰层表面沉积钙钛矿晶体结构材料，形成钙钛矿吸光层薄膜；
在钙钛矿吸光层表面沉积空穴传输层材料，形成空穴传输薄膜；
在空穴传输层表面制备对电极。
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