CN104319348A - 以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，涉及太阳能电池。所述钙钛矿太阳能电池自下至上依次设有透明导电玻璃衬底、等电子传输层、光吸收钙钛矿材料层、导电聚合物背电极层。将透明导电玻璃衬底预处理；在预处理后的透明导电玻璃衬底上制作等电子传输层；配制PbI2的DMF溶液，再旋涂在等电子传输层上，制得黄色的PbI2薄膜；将聚苯胺纳米线乙醇溶液旋涂在PbI2薄膜上，制得疏松多孔的薄膜，即导电聚合物背电极；在导电聚合物背电极上，加入碘甲胺的异丙醇溶液，静置，加热，即得以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池。采用低温制作的导电聚合物为背电极，不需蒸镀，工艺简单，制造成本低，易于大批量制作。

Description

以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池，特别是涉及一种以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着全球经济的发展，能源消耗越来越多，其中像石油资源越来越少，能源问题必将会成为今后的一个重大问题。太阳能为可再生资源，且具有取之不尽用之不竭的特点，因此太阳能电池的发展具有重要的意义。但是现今的太阳能电池要不光电转换效率低，要不成本太高。目前，硅太阳能电池具有较高的效率，但是在制备过程中需高温、高真空，成本非常高。有机聚合物太阳能电池具有成本较低、无毒、制备容易、可大面积柔性制造等特点，但其光电转换效率还较低。
钙钛矿型太阳能电池，为光伏领域的一个新成员，其吸光材料是基于有机-无机杂化的钙钛矿结构(最常见的为CH3NH3PbI3)的半导体材料，吸光范围宽，且自身具有高的载流子迁移率及较长的载流子寿命，光生电子和空穴能够迁移较长的距离，有利于其被外电路收集形成电流，因而电池能够获得高的光电转换效率。
目前，基于CH3NH3PbI3的钙钛矿型电池通常采用Ag(Perovskite solar cells with a planarheterojunction structure prepared using room-temperature solution processing techniques，DianyiLiu1,&Timothy L.Kelly1,Nature Photonics,2014,8:133–138.)、Au(Squential deposition as aroute to high-performance perovskite-sensitized solar cells,Julian Burschka,Norman Pellet,Soo-Jin Moon,Robin Humphry-Baker,Peng Gao,Mohammad K.Nazeeruddin，&Michael Gr¨atzel,Nature 2013,499:316-319.)金属或C(中国专利201410204305)作为背电极；但是Ag、Au等金属需要真空进行蒸镀，而C作为背电极通常需要高达500℃温度烧结制备，工艺较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池自下至上依次设有透明导电玻璃衬底、等电子传输层、光吸收钙钛矿材料层、导电聚合物背电极层。
所述透明导电玻璃衬底可为铟锡氧化物(ITO)导电玻璃衬底、掺杂氟的SnO2(FTO)导电玻璃衬底、铝掺杂的氧化锌(ZnO)导电玻璃衬底等中的一种，透明导电玻璃衬底的厚度可为100～1000nm。
所述等电子传输层可为ZnO等电子传输层或TiO2等电子传输层，等电子传输层的厚度可为20～180nm。
所述光吸收钙钛矿材料层可为(RNH3)BXmYn中的至少一种，其中R＝CH3，C4H9，C8H9，Cs；B＝Pb，Sn；X，Y＝Cl，Br，I；m＝1，2，3；n＝3-m；光吸收钙钛矿材料层的厚度可为200～400nm。
所述导电聚合物背电极层可为聚苯胺等导电高分子背电极层，导电聚合物背电极层的厚度可为60～150nm。
所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将透明导电玻璃衬底预处理；
2)在步骤1)预处理后的透明导电玻璃衬底上制作等电子传输层；
3)配制PbI2的DMF溶液，再旋涂在等电子传输层上，制得黄色的PbI2薄膜；
4)将聚苯胺纳米线乙醇溶液旋涂在PbI2薄膜上，制得疏松多孔的薄膜，即导电聚合物背电极；
5)在导电聚合物背电极上，加入碘甲胺的异丙醇溶液，静置，加热，即得以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池。
在步骤1)中，所述预处理的方法可为将透明导电玻璃衬底先用洗洁精和去离子水洗涤，去除油脂和有机物，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水超声洗涤，氮气吹干。
在步骤2)中，所述在步骤1)预处理后的透明导电玻璃衬底上制作等电子传输层的方法可为：通过磁控溅射制作ZnO等电子传输层、或通过旋涂制作TiO2等电子传输层、或通过溅射制作TiO2等电子传输层等。
在步骤3)中，所述配制PbI2的DMF溶液的温度可为70℃；所述PbI2的DMF溶液的摩尔浓度可为1～2mol/L；所述旋涂的方法可采用匀胶机将PbI2溶液旋涂在等电子传输层上。
在步骤4)中，所述聚苯胺纳米线乙醇溶液的质量浓度可为10mg/mL，聚苯胺纳米线的长度可为200～700nm；所述旋涂可通过溶液旋涂的方法。
在步骤5)中，所述碘甲胺的异丙醇溶液的质量浓度可为5～30mg/ml；所述静置的时间可为40s～10min；所述加热的温度可为60～100℃。
本发明的优点和积极效果是：以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池中采用低温制作的导电聚合物为背电极，不需要使用Ag、Au等金属电极，不需要蒸镀，同时也不需要像碳电极那样高温烧结，工艺简单，制造成本低，易于大批量制作。
附图说明
图1为本发明所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池的结构组成示意图。
具体实施方式
实施例1：
一种以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池，如图1所示，由透明导电玻璃衬底1、等电子传输层2、光吸收钙钛矿材料层3、导电聚合物背电极层4组成并依次构成叠层结构，所述透明导电玻璃衬底1为ITO导电玻璃，厚度为100nm；等电子传输层2为溅射ZnO薄膜，厚度为40nm；光吸收钙钛矿材料层3为CH3NH3PbI3层，厚度为300nm；背电极层4为聚苯胺薄膜，厚度为20nm。
实施例2：
一种以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池，由透明导电玻璃衬底、等电子传输层、光吸收钙钛矿材料层、导电聚合物背电极层组成并依次构成叠层结构，所述透明导电玻璃衬底为FTO导电玻璃，厚度为350nm；等电子传输层为旋涂所得TiO2薄膜，厚度为60nm；光吸收钙钛矿材料层为CH3NH3SnBr3层，厚度为400nm；背电极层为聚苯胺薄膜，厚度为100nm。实施例3：
一种以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池，如图1所示，由透明导电玻璃衬底、等电子传输层、光吸收钙钛矿材料层、导电聚合物背电极层组成并依次构成叠层结构，所述透明导电玻璃衬底为FTO导电玻璃，厚度为1000nm；等电子传输层为溅射TiO2薄膜，厚度为20nm；光吸收钙钛矿材料层为C4H9NH3PbI2Cl层，厚度为300nm；背电极层为聚苯胺薄膜，厚度为100nm。
实施例4：
一种以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池，如图1所示，由透明导电玻璃衬底、等电子传输层、钙钛矿层、导电聚合物背电极层组成并依次构成叠层结构，所述透明导电玻璃衬底为ITO导电玻璃，厚度为200nm；等电子传输层为溅射ZnO薄膜，厚度为100nm；钙钛矿层为CH3NH3PbBr3层，厚度为350nm；背电极层为聚苯胺薄膜，厚度为120nm。
以下给出测试结果：钙钛矿型太阳能电池制备完成后，将导电聚合物电极一端接电流表正极，ITO电极一端接电流表负极。测试数据见表1。
表1
实施例 Jsc/mA Voc/V FF PCE(％)
1 9.91 0.86 0.34 2.86
2 15.58 1.00 0.38 6.26
3 12.40 0.86 0.37 3.95
4 13.67 0.95 0.39 5.18
结果表明：在AM1.5G(100mW/cm2)光照下，最高光电转换效率能够达到6.03％。

Claims (10)

1.以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池，其特征在于自下至上依次设有透明导电玻璃衬底、等电子传输层、光吸收钙钛矿材料层、导电聚合物背电极层。
2.如权利要求1所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池，其特征在于所述透明导电玻璃衬底为铟锡氧化物导电玻璃衬底、掺杂氟的SnO2导电玻璃衬底、铝掺杂的氧化锌导电玻璃衬底中的一种；所述等电子传输层为ZnO等电子传输层或TiO2等电子传输层；所述光吸收钙钛矿材料层为(RNH3)BXmYn中的至少一种，其中R＝CH3，C4H9，C8H9，Cs；B＝Pb，Sn；X，Y＝Cl，Br，I；m＝1，2，3；n＝3-m；所述导电聚合物背电极层为聚苯胺等导电高分子背电极层。
3.如权利要求1所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池，其特征在于透明导电玻璃衬底的厚度为100～1000nm，等电子传输层的厚度为20～180nm，光吸收钙钛矿材料层的厚度为200～400nm，导电聚合物背电极层的厚度为60～150nm。
4.如权利要求1所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池，其特征在于所述导电聚合物背电极层为聚苯胺背电极层。
5.如权利要求1～4任一所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将透明导电玻璃衬底预处理；
2)在步骤1)预处理后的透明导电玻璃衬底上制作等电子传输层；
3)配制PbI2的DMF溶液，再旋涂在等电子传输层上，制得黄色的PbI2薄膜；
4)将聚苯胺纳米线乙醇溶液旋涂在PbI2薄膜上，制得疏松多孔的薄膜，即导电聚合物背电极；
5)在导电聚合物背电极上，加入碘甲胺的异丙醇溶液，静置，加热，即得以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池。
6.如权利要求5所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述预处理的方法为将透明导电玻璃衬底先用洗洁精和去离子水洗涤，去除油脂和有机物，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水超声洗涤，氮气吹干。
7.如权利要求5所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述在步骤1)预处理后的透明导电玻璃衬底上制作等电子传输层的方法为：通过磁控溅射制作ZnO等电子传输层、或通过旋涂制作TiO2等电子传输层、或通过溅射制作TiO2等电子传输层。
8.如权利要求5所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述配制PbI2的DMF溶液的温度为70℃；所述PbI2的DMF溶液的摩尔浓度可为1～2mol/L；所述旋涂的方法可采用匀胶机将PbI2溶液旋涂在等电子传输层上。
9.如权利要求5所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述聚苯胺纳米线乙醇溶液的质量浓度为10mg/mL，聚苯胺纳米线的长度可为200～700nm；所述旋涂可通过溶液旋涂的方法。
10.如权利要求5所述以导电聚合物为背电极的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述碘甲胺的异丙醇溶液的质量浓度为5～30mg/ml；所述静置的时间可为40s～10min；所述加热的温度可为60～100℃。
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