CN104465994A - 一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法，涉及太阳能电池。提供可实现低成本、高效率、产业化的一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法。1)在透明导电基底上采用涂布工艺依次制备电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层；所述涂布工艺采用slot-die涂布或喷雾式涂布；2)在空穴传输层上涂布顶电极，所述涂布采用丝网印刷和刮刀涂布。解决了蒸镀以及印刷贵重金属电极的工艺及成本问题，还解决了涂布高温碳浆可能导致的对钙钛矿层的破坏。采用一步退火的方法，即涂布完所有的功能层后在70～150℃下进行退火。不仅进一步简化了制作工艺，而且可有效提高器件的性能及稳定性。

Description

一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池，尤其是涉及一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
钙钛矿型太阳能电池指的是以具有钙钛矿晶体结构的一大类材料作为光电转换活性层的一种太阳能电池。这类材料具有合适的带隙，吸光系数高，以及优异的载流子产生和分离的能力，加上其简单，低成本的的薄膜制备方法，使得钙钛矿型太阳能电池有了很大的前景。目前钙钛矿太阳能电池的钙钛矿薄膜主要通过旋涂与浸泡、高真空热蒸发等方法实现实验室制备；电极则通过热蒸镀或印刷金属电极等方式制备。目前，小面积的器件的效率已经接近20％。但因其无法有效的应用于大面积器件的制备以及金属电极可能带来的高成本，限制了钙钛矿太阳能电池的产业化发展。
中国专利CN103943782A公开一种低温全溶液法制备钙钛矿太阳能电池的方法，其包括以下步骤：1)在清洗后的ITO基底上旋涂一层PEDOT:PSS，旋涂转速为1000～3000rpm，旋涂时间为10～30s，然后在150℃下烧结10～30min；2)将铜铟硫粉体与钙钛矿前驱体的混合悬浊液滴涂在PEDOT:PSS层上，并使悬浊液均匀的在PEDOT:PSS层上完全铺展开，将样品在100℃下退火30min得到一层黑色的致密膜，所述悬浊液的用量为5～20uL/cm2；3)使用丝网印刷的方法在黑色致密膜上刷涂一层银浆，并在100℃下使其固化。
中国专利CN103996749A公开一种钙钛矿太阳能电池光阳极的原位制备方法，将含铅化合物均匀分散于二氧化钛浆体中，采用刮涂法或旋涂法成膜于导电基底材料上，通过高温烧结获得二氧化钛与氧化铅的复合薄膜；经过氢卤酸溶液处理，原位获得二氧化钛与卤化铅的复合薄膜；在其表面旋涂一层卤化铅；经过有机卤化胺溶液处理，原位获得卤化有机铅钙钛矿吸光材料与二氧化钛接触良好、填充和覆盖均匀的复合光阳极。
发明内容
本发明的目的在于提供可实现低成本、高效率、产业化的一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1)在透明导电基底上采用涂布工艺依次制备电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层；所述涂布工艺采用slot-die涂布或喷雾式涂布；
2)在空穴传输层上涂布顶电极，所述涂布采用丝网印刷和刮刀涂布。
在步骤1)中，所述电子传输层采用TiO2电子传输层；涂布电子传输层的方法可为：
直接涂布一层TiO2纳米溶液，150℃退火10min即可；或
采用TiO2致密层/TiO2介孔层结构，先涂布四异丙醇钛溶液，500℃退火30min后形成TiO2致密层，然后涂布稀释过的TiO2浆料，再次进行500℃退火30min，形成TiO2介孔结构；或
先涂布四异丙醇钛溶液，100℃烘干，冷却后涂布TiO2浆料，然后500℃退火30min；
可通过控制出墨量、出墨速度、溶液浓度、退火温度等来控制电子传输层的厚度和形貌。
涂布钙钛矿活性层的方法可为：
采用两步涂布，先涂布一层PbI2，溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)中的至少一种，待其自然干燥或低温烘干后，涂布CH3NH3I的异丙醇溶液，热风吹干或低温烘干，即得钙钛矿活性层；或
采用一步涂布，直接涂布PbI2、CH3NH3I和CH3NH3Cl的混合溶液，溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)中的至少一种，PbI2、CH3NH3I和CH3NH3Cl的摩尔比为1∶1∶1，即得钙钛矿活性层。
当采用两步涂布时，可通过控制涂布工艺、溶液浓度及烘干条件等来控制PbI2的成膜厚度及质量，并且通过控制CH3NH3I的浓度和涂布工艺使其与下层PbI2反应形成均匀高质量的钙钛矿薄膜，并且可以不用对其进行清洗即可继续后续的涂布。此种方法避免了长时间浸泡对钙钛矿层的损坏，并且使得工艺更加简单。
涂布空穴传输层的方法可为：
在钙钛矿层上涂布一层P3HT或Spiro-OMeTAD作为空穴传输层，采用氯苯作为溶剂。可通过控制出墨量、出墨速度、溶液浓度、退火温度等条件来控制空穴传输层的厚度和形貌。
在步骤2)中，所述顶电极采用碳电极，涂布顶电极的方法可为：
用低温碳浆通过丝网印刷的方式制备；所述低温碳浆即在温度70～150℃下退火就能使其形成具有较高导电性能的有效的碳电极，退火时间为2～10min；温度再高则会对其他功能层造成损坏。
特别的，本发明中也采用直接在钙钛矿层上涂布顶电极的方法制备出了无空穴传输层的高效钙钛矿太阳能电池。即在步骤1)中省略了空穴传输层的涂布，直接在钙钛矿层上进行步骤2)中的碳浆的丝网印刷。
本发明中的无空穴传输层的高效钙钛矿电池的效率比有空穴传输层的钙钛矿电池只略低约10％，但其制备方法省去了空穴传输层的涂布，以及所用有较强毒性溶剂(此为氯苯)的回收处理工艺，可以大大的简化生产工艺，并且排除了有毒气体的潜在危害。
本发明解决了蒸镀以及印刷贵重金属电极的工艺及成本问题，还解决了涂布高温碳浆可能导致的对钙钛矿层的破坏。
本发明采用一步退火的方法，即涂布完所有的功能层后在70～150℃下进行退火，时间为2～10min。此种方法将各层进行同步退火，在优化各层的微观形貌及物理和化学特性外，进一步优化了各个功能层界面之间的欧姆接触。本发明不仅进一步简化了制作工艺，而且可以有效提高器件的性能及稳定性。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。但是所描述的实施例，仅仅是本发明的一部分实施例，并不局限于此。
实施例1
在洗净的氟锡氧化物(FTO)或铟锡氧化物(ITO)玻璃基底上涂布TiO2纳米溶液，并在150℃下退火10min，制得电子传输层；在基片上涂布200～300mg/ml的PbI2溶液，溶剂采用二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)中的至少一种；热风吹干后，涂布8mg/ml的CH3NH3I的异丙醇溶液；热风吹干后直接进行低温碳电极的丝网印刷，然后在70～150℃下退火10min，即制得钙钛矿型太阳能电池。
实施例2
在洗净的氟锡氧化物(FTO)或铟锡氧化物(ITO)玻璃基底上涂布TiO2纳米溶液，并在150℃下退火10min，制得电子传输层；在基片上涂布PbI2、CH3NH3I和CH3NH3Cl的DMF混合溶液；热风干燥后丝网印刷低温碳浆，在100℃下退火10～30min即可制得制得钙钛矿型太阳能电池。
实施例3
在洗净的氟锡氧化物(FTO)玻璃基底上涂布四异丙醇钛溶液，500℃退火30min后形成TiO2致密层，冷却至室温后涂布乙二醇甲醚或乙醇稀释过的TiO2浆料，再次进行500℃退火30min，形成TiO2介孔结构。待基片冷却到室温后，在TiO2介孔结构上涂布PbI2溶液，浓度为200～300mg/ml，溶剂采用DMF或DMSO；热风吹干后，涂布8mg/ml的CH3NH3I的异丙醇溶液；热风吹干后进行低温碳电极的丝网印刷，最后在70～150℃下加热10min，即制得钙钛矿型太阳能电池。
实施例4
在洗净的氟锡氧化物(FTO)玻璃基底上涂布四异丙醇钛溶液，500℃退火30min后形成TiO2致密层，冷却至室温后涂布乙二醇甲醚或乙醇稀释过的TiO2浆料，500℃退火30min后，形成TiO2介孔结构。待基片冷却到室温后，涂布PbI2、CH3NH3I和CH3NH3Cl的DMF混合溶液，摩尔比为1∶1∶1；热风干燥后丝网印刷低温碳浆，然后在100℃下退火10～30min即可制得制得钙钛矿型太阳能电池。
实施例5
在洗净的氟锡氧化物(FTO)玻璃基底上涂布四异丙醇钛溶液，在500℃下退火30min后形成TiO2致密层，冷却至室温后涂布乙二醇甲醚或乙醇稀释过的TiO2浆料，再次在500℃下退火30min后，形成TiO2介孔层。待基片冷却到室温后，在TiO2介孔层上涂布PbI2溶液，浓度为200～300mg/ml，溶剂采用DMF或DMSO；热风吹干后，涂布8mg/ml的CH3NH3I的异丙醇溶液；热风吹干后进行空穴传输层的涂布，空穴传输层采用P3HT或Spiro-OMeTAD，采用氯苯作溶剂；最后进行低温碳电极的丝网印刷，接着在70～150℃下退火10min，即制得钙钛矿型太阳能电池。
实施例6
在洗净的氟锡氧化物(FTO)或铟锡氧化物(ITO)玻璃基底上涂布TiO2纳米溶液，在150℃下退火10min，制得电子传输层；在基片上涂布200～300mg/ml的PbI2溶液，溶剂采用DMF或DMSO；热风吹干后，涂布8mg/ml的CH3NH3I的异丙醇溶液；热风吹干后进行空穴传输层的涂布，空穴传输层采用P3HT或Spiro-OMeTAD，采用氯苯作溶剂；最后进行低温碳电极的丝网印刷，在70～150℃下退火10min，即制得钙钛矿型太阳能电池。
实施例7
在洗净的氟锡氧化物(FTO)或铟锡氧化物(ITO)玻璃基底上涂布TiO2纳米溶液，并在150℃下退火10min，制得电子传输层；在基片上涂布PbI2、CH3NH3I和CH3NH3Cl的DMF混合溶液；热风干燥后进行空穴传输层的涂布，空穴传输层采用P3HT或Spiro-OMeTAD，采用氯苯作溶剂；最后进行低温碳电极的丝网印刷，在70～150℃下退火10min，即制得钙钛矿型太阳能电池。
实施例8
在洗净的氟锡氧化物(FTO)玻璃基底上涂布四异丙醇钛溶液，500℃退火30min后形成TiO2致密层，冷却至室温后涂布乙二醇甲醚或乙醇稀释过的TiO2浆料，500℃退火30min后，形成TiO2介孔结构。待基片冷却到室温后，涂布PbI2、CH3NH3I和CH3NH3Cl的DMF混合溶液，摩尔比为1∶1∶1；热风干燥后进行空穴传输层的涂布，空穴传输层采用P3HT或Spiro-OMeTAD，采用氯苯作溶剂；最后进行低温碳电极的丝网印刷，在70～150℃下退火10min，即制得钙钛矿型太阳能电池。
本发明实施例为较佳实施方式，但具体实施并不限于此，本领域的普通技术人员极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，只要不脱离本明，都属本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于全涂布工艺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)在透明导电基底上采用涂布工艺依次制备电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层；所述涂布工艺采用slot-die涂布或喷雾式涂布；
2)在空穴传输层上涂布顶电极，所述涂布采用丝网印刷和刮刀涂布。
2.如权利要求1所述一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述电子传输层采用TiO2电子传输层。
3.如权利要求1所述一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，涂布电子传输层的方法为：
直接涂布一层TiO2纳米溶液，150℃退火10min即可；或
采用TiO2致密层/TiO2介孔层结构，先涂布四异丙醇钛溶液，500℃退火30min后形成TiO2致密层，然后涂布稀释过的TiO2浆料，再次进行500℃退火30min，形成TiO2介孔结构；或
先涂布四异丙醇钛溶液，100℃烘干，冷却后涂布TiO2浆料，然后500℃退火30min。
4.如权利要求1所述一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，涂布钙钛矿活性层的方法为：
采用两步涂布，先涂布一层PbI2，溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的至少一种，待其自然干燥或低温烘干后，涂布CH3NH3I的异丙醇溶液，热风吹干或低温烘干，即得钙钛矿活性层；或
采用一步涂布，直接涂布PbI2、CH3NH3I和CH3NH3Cl的混合溶液，溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的至少一种，PbI2、CH3NH3I和CH3NH3Cl的摩尔比为1∶1∶1，即得钙钛矿活性层。
5.如权利要求1所述一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，涂布空穴传输层的方法为：
在钙钛矿层上涂布一层P3HT或Spiro-OMeTAD作为空穴传输层，采用氯苯作为溶剂。
6.如权利要求1所述一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述顶电极采用碳电极。
7.如权利要求1所述一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述涂布顶电极的方法为：
用低温碳浆通过丝网印刷的方式制备。
8.如权利要求7所述一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于所述低温碳浆即在温度70～150℃下退火，退火时间为2～10min。
9.一种基于全涂布工艺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)在透明导电基底上采用涂布工艺依次制备电子传输层、钙钛矿活性层；所述涂布工艺采用slot-die涂布或喷雾式涂布；
2)在钙钛矿活性层上涂布顶电极，所述涂布采用丝网印刷。
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