CN105006522A - 一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于薄膜太阳能电池领域,涉及一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池及其制备方法,所述的薄膜太阳能电池基于倒置的平面结构,以一种FAPbI3钙钛矿体系作为光吸收层,通过溶液法在低温条件下制备得到。本薄膜电池是以新型的FAPbI3钙钛矿体系作为光吸收层,该种体系比起传统的MAPbI3钙钛矿体系具有更宽的吸收范围、更高的相转变温度以及更好的稳定性;避免基于传统倒置结构中高温烧结的弊端,能够在工业化生产中大大降低成本;本薄膜太阳能电池不仅制备方法简单、成本低,而且具有较好的重复性好,可实现低成本的卷对卷模式,在未来的工业化生产中具有十分潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于薄膜太阳能电池领域,涉及一种基于钙钛矿材料的倒置薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿作为一种新型的光吸收层材料,于2009年第一次被用在太阳能电池上。经过六年的发展,其能量转化效率已经由起初的3.8% 提升到20% 以上。然而大部分的工作都是基于CH3NH3PbI3 (或者 CH3NH3PbI3-xClx)体系,该种钙钛矿材料带隙约为1.55 eV, 尚未达到理想的光伏材料所具有的带隙(1.4 eV)。而且,据报道CH3NH3PbI3(MAPbI3)体系的钙钛矿具有很低的相转变温度,这势必会影响器件的稳定性。
NH2CH=NH2PbI3(FAPbI3)作为一种新型的钙钛矿材料,已经作为活性层被应用在钙钛矿太阳能电池中。比起传统的MAPbI3 体系,FAPbI3体系具有优越的特性,比如其带隙更接近于理想的光伏材料带隙(Eg=1.48 eV),具有更高的相转变温度以及更好的光稳定性等。但是,相关的报道都是基于传统的正置结构,在这种结构中致密或者多孔的TiO2 作为底部的电子传输层,制备时需要很高的温度,一般400-500℃。这么高的温度在工业化生产中势必会增加成本,而且没办法制备于柔性基底上。
发明内容
要解决的技术问题:本发明的目的是公开一种将FAPbI3钙钛矿制备于倒置平面结构的太阳能薄膜电池中,通过溶液法在低温条件下制备的薄膜太阳能电池及其制备方法。
技术方案:本发明公开了一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池,所述的薄膜太阳能电池基于倒置的平面结构,以一种FAPbI3钙钛矿体系作为光吸收层,通过溶液法在低温条件下制备得到。
所述的一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池的制备方法,制备方法具体步骤如下:
(1)将碘甲脒(NH2CH=NH2I(FAI))与碘化铅(PbI2)以1:1摩尔比混合溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中,常温搅拌后,对溶液进行过滤;
(2)提供一个图案化的导电基底,擦洗后再用溶剂清洗,吹干;
(3)对清洗过的导电基底进行臭氧处理;
(4)在导电基底表面旋涂一层空穴传输层,然后进行退火处理;
(5)将导电基底旋涂FAPbI3钙钛矿前驱体层,在旋涂过程中用氯苯进行清洗;将导电基底在120-140℃条件下对钙钛矿前驱体溶液进行退火处理,待钙钛矿层完全结晶后,将导电基底冷却;
(6)在冷却后的FAPbI3钙钛矿表面旋涂或热蒸镀电子传输层;
(7)将界面修饰层材料通过旋涂或热蒸镀方式制备在电子传输层的表面;
(8)在高真空条件下蒸镀一层银或铝电极,器件的有效面积通过掩模板的形状来确定。
优选的,所述的一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池的制备方法,制备方法具体步骤如下:
(1)将NH2CH=NH2I(FAI)与PbI2以1:1摩尔比混合溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中,常温搅拌12小时后,用0.22 um的有机系过滤头对溶液进行过滤;
(2)提供一个图案化的导电基底,用洗洁精进行擦洗之后,分别用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗各两次,每次十分钟,然后放入干燥箱烘干;
(3)对烘干的导电基底进行臭氧处理,臭氧处理时间为15 min;
(4)在导电基底表面旋涂一层空穴传输层,转速为2000-5000 rpm/40 s, 然后进行退火处理,退火条件为80-140℃/15 min;
(5)将导电基底转移至手套箱,旋涂FAPbI3钙钛矿前驱体层,在旋涂过程中用氯苯溶剂进行清洗;旋涂之后,将基片置于加热板上,在120-140℃条件下对钙钛矿前驱体溶液进行退火处理,待钙钛矿层完全结晶后,将基片转移至玻璃培养皿中冷却;
(6)在冷却后的FAPbI3钙钛矿表面旋涂或热蒸镀电子传输层;
(7)将界面修饰层材料通过旋涂或热蒸镀方式制备在电子传输层的表面;
(8)在高真空条件下蒸镀一层银或铝电极,器件的有效面积通过掩模板的形状来确定。
优选的,所述的一种薄膜太阳能电池的制备方法,所述的导电基底为氧化锡铟(ITO)或掺杂氟的SnO2透明导电玻璃(FTO)导电薄膜的硬性或柔性基片。
优选的,所述的一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池的制备方法,所述的空穴传输层是PEDOT:PSS(聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)、4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物(Poly-TPD)、聚三苯胺(PTAA)、氧化石墨烯(GO)、氧化镍(NiOx)、硫氰化亚铜(CuSCN)、碘化亚铜(CuI)中的一种或几种。
优选的,所述的一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池的制备方法,所述的电子传输层材料是富勒烯C60、富勒烯C70、富勒烯衍生物[6,6]-苯基 C61 丁酸甲酯 (PCBM)、富勒烯衍生物茚与C60双加成物(ICBA)中的一种或几种。
优选的,所述的一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池的制备方法,所述的界面修饰层材料是2, 9-二甲基-4, 7-二苯基-1, 10-菲啰啉(BCP)、4, 7-二苯基-1, 10-菲啰啉(Bphen)、氟化锂(LiF)、氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)、吡咯烷二取代富勒烯衍生物(bis-C60)、聚[9, 9-二(3'-(N, N-二甲胺基)丙基)-2, 7-芴]-交-2, 7-(9, 9-二辛基芴)] (PFN)、聚二溴化[9, 9-二(3'-((N, N-二甲基)-N-乙氨盐基)-丙基)2, 7-芴]-交-1, 4-苯基] (PFNBr)、聚乙氧基-乙烯亚胺(PEIE)中的一种或几种。
有益效果:(1)本薄膜电池是以新型的FAPbI3钙钛矿体系作为光吸收层,该种体系比起传统的MAPbI3钙钛矿体系具有更宽的吸收范围、更高的相转变温度以及更好的稳定性;
(2)本薄膜太阳能电池是在倒置结构中通过低温溶液法制备,一方面可以避免基于传统倒置结构中高温烧结的弊端,能够在工业化生产中大大降低成本;另一方面,此种制备过程满足柔性薄膜太阳能电池制备的条件,有望在未来实现基于FAPbI3钙钛矿体系可卷曲的钙钛矿薄膜太阳能电池;
(3)本薄膜太阳能电池不仅制备方法简单、成本低,而且具有较好的重复性好,可实现低成本的卷对卷模式,在未来的工业化生产中具有十分潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明的薄膜太阳能电池的结构图,其中1为导电基底,2为空穴传输层,3为NH2CH=NH2PbI3(FAPbI3)钙钛矿层,4为电子传输层,5为界面修饰层,6为电极。
图2为本发明中实施例1的太阳能薄膜电池代表性J-V曲线(a)以及40个器件能量转化效率的统计列表(b)。
具体实施方式
实施例1
(1)将NH2CH=NH2I(FAI)与PbI2以1:1摩尔比混合溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中,常温搅拌12小时后,用0.22 um的有机系过滤头对溶液进行过滤;
(2)提供一个图案化的ITO导电玻璃基片,用洗洁精进行擦洗之后,分别用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗各两次,每次十分钟,然后放入干燥箱烘干;
(3)对烘干的ITO导电玻璃基片进行臭氧处理,臭氧处理时间为15 min;
(4)在ITO导电玻璃基片表面旋涂一层PEDOT:PSS,转速为4000 rpm/40 s, 然后进行退火处理,退火条件为140℃/15 min(本层的制备是在大气环境下进行);
(5)将ITO导电玻璃基片转移至手套箱,旋涂FAPbI3钙钛矿前驱体层,在旋涂过程中用氯苯溶剂进行清洗;旋涂之后,将基片置于加热板上,在120℃条件下对钙钛矿前驱体溶液进行退火处理,待钙钛矿层完全结晶后,将基片转移至玻璃培养皿中冷却;
(6)在冷却后的FAPbI3钙钛矿表面旋涂一层PCBM,旋涂条件为2000 rpm/30s;
(7)将0.5 mg/ml的BCP乙醇溶液以4000rpm的转速旋涂在PCBM层表面,以形成一层界面修饰层;
(8)将ITO导电玻璃基片转移至热蒸镀系统,在高真空条件下蒸镀一层银电极,器件的有效面积通过掩模板的形状来确定。
实施例1的器件结构为ITO/PEDOT:PSS/FAPbI3/PCBM/BCP/Ag。
实施例1以PDEOT:PSS和PCBM分别为空穴和电子传输层,以BCP作为阴极界面修饰层所制备的基于FAPbI3体系的钙钛矿太阳能电池的能量转化效率可达13%以上,而且具有非常好的重复性。
实施例2
(1)将NH2CH=NH2I(FAI)与PbI2以1:1摩尔比混合溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中,常温搅拌12小时后,用0.22 um的有机系过滤头对溶液进行过滤;
(2)提供一个图案化的ITO导电玻璃基片,用洗洁精进行擦洗之后,分别用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗各两次,每次十分钟,然后放入干燥箱烘干;
(3)对烘干的ITO导电玻璃基片进行臭氧处理,臭氧时间为15 min;
(4)在ITO表面旋涂一层PEDOT:PSS前驱体溶液,转速为4000 rpm/40 s, 然后进行退火处理,退火条件为140℃/15 min (本层的制备是在大气环境下进行);
(5)将ITO导电玻璃基片转移至手套箱,旋涂FAPbI3钙钛矿前驱体层,在旋涂过程中用氯苯溶剂进行清洗;旋涂之后,将基片置于加热板上,在120℃条件下对钙钛矿前驱体溶液进行退火处理,待钙钛矿层完全结晶后,将基片转移至玻璃培养皿中冷却;
(6)将ITO导电玻璃基片转移至真空热蒸镀腔体中,在高真空条件下(4×10-4 Pa)依次蒸镀电子传输层C60(50 nm)、界面修饰层BCP(8 nm)以及银电极(100 nm),冷却。
实施例2的器件结构为ITO/PEDOT:PSS/FAPbI3/C60/BCP/Ag。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于,空穴传输层材料为氧化石墨烯(GO),其他步骤与实施例1相同。
实施例3的器件结构为ITO/GO/FAPbI3/PCBM/BCP/Ag。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于,电子传输层材料为ICBA,其他步骤与实施例1相同。
实施例4的器件结构为ITO/PEDOT:PSS/FAPbI3/ICBA/BCP/Ag。
实施例5
本实施例与实施例1不同之处在于,阴极界面修饰层材料为Bphen,其他步骤与实施例1相同。
实施例5的器件结构为ITO/PEDOT:PSS/FAPbI3/PCBM/Bphen/Ag。
实施例6
本实施例与实施例1不同之处在于,空穴传输层材料为氧化石墨烯(GO),电子传输层为ICBA,阴极界面修饰层为PFN,其他步骤与实施例1相同。
实施例6的器件结构为ITO/GO/FAPbI3/ICBA/PFN/Ag。
实施例7
本实施例与实施例2不同之处在于,空穴传输层材料为PTAA,其他步骤与实施例2相同。实施例7的器件结构为ITO/PTAA/FAPbI3/C60/BCP/Ag。
实施例8
本实施例与实施例2不同之处在于,空穴传输层材料为Poly-TPD,界面修饰层材料为LiF,电极为铝电极,其他步骤与实施例2相同。
实施例8的器件结构为ITO/Poly-TPD/FAPbI3/PCBM/LiF/Al。
表1为本发明的实施例的薄膜电池的器件性能参数。
。
Claims (7)
1.一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池,其特征在于,所述的薄膜太阳能电池基于倒置的平面结构,以一种FAPbI3钙钛矿体系作为光吸收层,通过溶液法在低温条件下制备得到。
2. 一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池的制备方法,制备方法具体步骤如下:
(1)将碘甲脒与碘化铅以1:1摩尔比混合溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中,常温搅拌后,对溶液进行过滤;
(2)提供一个图案化的导电基底(1),擦洗后再用溶剂清洗,吹干;
(3)对清洗过的导电基底(1)进行臭氧处理;
(4)在导电基底(1)表面旋涂一层空穴传输层(2),然后进行退火处理;
(5)将导电基底(1)旋涂FAPbI3钙钛矿前驱体层(3),在旋涂过程中用氯苯进行清洗;将导电基底在120-140℃条件下对钙钛矿前驱体溶液进行退火处理,待钙钛矿层完全结晶后,将导电基底冷却;
(6)在冷却后的FAPbI3钙钛矿表面旋涂或热蒸镀电子传输层(4);
(7)将界面修饰层材料(5)通过旋涂或热蒸镀方式制备在电子传输层(4)的表面;
(8)在高真空条件下蒸镀一层银或铝电极(6),器件的有效面积通过掩模板的形状来确定。
3. 根据权利要求2所述的一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池的制备方法,其特征在于,制备方法具体步骤如下:
(1)将碘甲脒与碘化铅以1:1摩尔比混合溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中,常温搅拌12小时后,用0.22 um的有机系过滤头对溶液进行过滤;
(2)提供一个图案化的导电基底(1),用洗洁精进行擦洗之后,分别用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗各两次,每次十分钟,然后放入干燥箱烘干;
(3)对烘干的导电基底(1)进行臭氧处理,臭氧处理时间为15 min;
(4)在导电基底(1)表面旋涂一层空穴传输层(2),转速为2000-5000 rpm/40 s, 然后进行退火处理,退火条件为80-140℃/15 min;
(5)将导电基底(1)转移至手套箱,旋涂FAPbI3钙钛矿前驱体层(3),在旋涂过程中用氯苯溶剂进行清洗;旋涂之后,将基片置于加热板上,在120-140℃条件下对钙钛矿前驱体溶液进行退火处理,待钙钛矿层完全结晶后,将基片转移至玻璃培养皿中冷却;
(6)在冷却后的FAPbI3钙钛矿表面旋涂或热蒸镀电子传输层(4);
(7)将界面修饰层材料(5)通过旋涂或热蒸镀方式制备在电子传输层(4)的表面;
(8)在高真空条件下蒸镀一层银或铝电极(6),器件的有效面积通过掩模板的形状来确定。
4. 根据权利要求2或3所述的一种薄膜太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述的导电基底为氧化锡铟或掺杂氟的SnO2透明导电玻璃导电薄膜的硬性或柔性基片。
5. 根据权利要求2或3所述的一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述的空穴传输层是聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐、4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物、聚三苯胺、氧化石墨烯、氧化镍、硫氰化亚铜、碘化亚铜中的一种或几种。
6. 根据权利要求2或3所述的一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述的电子传输层材料是富勒烯C60、富勒烯C70、富勒烯衍生物[6,6]-苯基 C61 丁酸甲酯、富勒烯衍生物茚与C60双加成物中的一种或几种。
7. 根据权利要求2或3所述的一种基于钙钛矿的倒置薄膜太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述的界面修饰层材料是2, 9-二甲基-4, 7-二苯基-1, 10-菲啰啉、4, 7-二苯基-1, 10-菲啰啉、氟化锂、氧化锌、二氧化钛、吡咯烷二取代富勒烯衍生物、聚[9, 9-二(3'-(N, N-二甲胺基)丙基)-2, 7-芴]-交-2, 7-(9, 9-二辛基芴)]、聚二溴化[9, 9-二(3'-((N, N-二甲基)-N-乙氨盐基)-丙基)2, 7-芴]-交-1, 4-苯基] 、聚乙氧基-乙烯亚胺中的一种或几种。
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