CN105070834A - 一种基于掺杂型NiO空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于掺杂型NiO空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于掺杂型NiO空穴传输层的反式平面结构钙钛矿太阳能结构及其制备方法。属于新材料太阳能电池领域，现有技术中钙钛矿太阳能电池存在电池稳定性差、光电转换性能差等问题，本发明提供了一种基于掺杂型NiO空穴传输层的反式平面结构钙钛矿太阳能电池，其包括在导电基底上沉积一层掺杂一定浓度的Mg、Li等杂原子的NiO致密层，作为空穴传输层，接着制备一层钙钛矿薄膜(APbX3，A＝CH3NH3 +或CH(NH2)2 +或两者混合物；X＝Cl-、Br-、I-或其混合物)，随后沉积一层电子传输层PCBM，接着沉积一层界面修饰层(包括LiF、BCP或TiOX的一种)，最后沉积一层金属电极(Ag或Al)。所述掺杂型NiO致密膜作为空穴传输层，电池性能稳定、高效、迟滞现象小，有利于实现钙钛矿太阳能电池产业化。

Description

一种基于掺杂型NiO空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料太阳能电池领域，更具体地，涉及一种基于掺杂型NiO空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
进入21世纪，经济社会对能源的需求不断增加，传统能源因其自身的限制越来越不能适应社会发展的要求。太阳能作为一种可再生能源，具有取之不尽、经济环保等优点，研制太阳能电池尤其是廉价的太阳能电池技术，推动光伏技术平价发电，是新能源技术发展的重要趋势。
近几年，钙钛矿型太阳能电池由于材料成本低廉、制备工艺简单、电池效率被迅速推高到接近传统晶硅太阳能电池的水平，其作为一种可替代型新一代廉价光伏技术受到学术界和产业界的特别关注。
目前，钙钛矿太阳能电池存在两个主要问题阻碍其产业化进程。一个是光电转换性能测试时光电流电压曲线出现的迟滞现象，即施加在电池的偏压从短路状态测到开路状态与从开路状态测到短路状态时得到的性能不一致。这在基于n型致密TiO2的平面结构钙钛矿电池中尤其显著，导致无法评估准确的电池性能。另一个是电池的稳定性。卤化物钙钛矿材料在光照通电、加热条件下会与一些不稳定的界面材料发生反应，导致材料与界面退化从而使得电池性能明显衰减。
针对上述两个问题，本发明从钙钛矿太阳能电池的结构和界面材料的性质调控出发，提出了一种基于掺杂型NiO空穴传输层的反式平面结构钙钛矿太阳能电池及其制备方法，改善了钙钛矿太阳能电池的光电转换性能、并有效消除了性能测试时出现的迟滞现象。同时，基于该性质稳定的无机界面层的钙钛矿太阳能电池表现出良好的稳定性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本申请提供的是一种基于掺杂型NiO空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，其中通过对NiO致密层的具体结构及其设置方式进行研究和涉及，改善了钙钛矿太阳能电池的光电转换性能、并有效消除了性能测试时出现的迟滞现象。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种反式平面结构钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池从下至上由FTO导电玻璃、NiO致密层、钙钛矿薄膜、电子传输层、界面修饰层和金属电极组成；
所述致密层为Li或Mg掺杂NiO层或Li-Mg共掺杂NiO层；改善了致密层的透过率，提高了致密层的导电性，
所述钙钛矿薄膜为APbX3，A＝CH3NH3 +或CH(NH2)2 +或两者混合物；X＝Cl-、Br-、I-或其混合物。
优选地，所述致密层中掺杂的原子比为Li:Ni＝1-15:100，Mg:Ni＝5-25:100。
优选地，所述FTO导电玻璃方阻是5-25Ω，透过率在70-95％；
优选地，所述电子传输层为富勒烯衍生物薄膜，所述富勒烯衍生物薄膜为PC61BM或PC71BM；
按照本发明的另一方面，提供了一种反式平面结构钙钛矿太阳能电池的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)Li或Mg掺杂或Li-Mg共掺杂NiO致密层的制备
在镀了掺氟氧化锡FTO的导电玻璃上，将事先配好的混合有Li+、Mg2+离子一种或两种的NiO前驱液，通过热喷涂的方法沉积5-50nm厚的Li或Mg掺杂或Li-Mg共掺杂NiO致密层；
步骤(2)溶液法制备钙钛矿薄膜
所述钙钛矿薄膜为APbX3，A＝CH3NH3 +或CH(NH2)2 +或两者混合物；X＝Cl-、Br-、I-或其混合物，将配置好的钙钛矿前驱体溶液旋凃在掺杂NiO层上，然后在加热板上退火处理；
步骤(3)电子传输层的制备
将配制好的PCBM溶液旋凃到钙钛矿薄膜上，然后在加热板上退火处理；
步骤(4)界面修饰层的制备
将LiF粉体通过真空蒸镀的方式沉积到PCBM薄膜上。或者将事先配制好的BCP或TiOx等前驱液旋凃到PCBM薄膜上，然后在加热板上退火处理；
步骤(5)金属电极的制备
将上述制备好的基底放入真空蒸发镀膜设备中，真空度达到1*10-5-5*10-4Pa，通过银或铝电极镀层厚度为50-300nm。
优选地，
总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、本发明利用Li或Mg或Li-Mg共掺杂NiO，使得NiO空穴传输层的导电性、透过率得到大大的提高，该无机界面材料性质稳定，使得基于该材料的反式平面结构钙钛矿太阳能电池效率高、且性能稳定；
2、同时采用本发明这种结构的电池，在测试光电转换效率时迟滞现象基本得到消除，容易得到准确的性能。
附图说明
图1是钙钛矿太阳能电池新结构示意图；
图2是实施例一，NiO致密层和Li或Mg或Li-Mg共掺杂NiO致密层的电池性能比较；
图3是实施例二，有无Li或Mg或Li-Mg共掺杂NiO致密层对钙钛矿太阳能电池性能测试时迟滞现象的影响；
图4是一种基于掺杂型NiO的反式平面结构高效钙钛矿太阳能电池性能随时间的变化。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，太阳能电池从下至上由FTO导电玻璃1、NiO致密层2、钙钛矿薄膜3、电子传输层4、界面修饰层5和金属电极6组成。
所述的FTO导电玻璃方阻是5-25Ω，透过率在70-95％；所述的掺杂NiO致密层，掺杂了Li或Mg的一种或两种，掺杂比例为Li:Ni＝1-15:100(原子比)，Mg:Ni＝5-25:100(原子比)，其膜层厚度为5-50nm，改善了所述致密层的透过率，提高了所述致密层的导电性。
所述的钙钛矿薄膜(APbX3，A＝CH3NH3 +或CH(NH2)2 +或两者混合物；X＝Cl-、Br-、I-或其混合物)的厚度在150-1000nm。
所述的界面修饰层为LiF(厚度为0.5-5nm)、BCP(厚度为1-20nm)或TiOX(厚度为5-30nm)等，其提高了太阳能电池的稳定性。
所述的金属电极为Ag和Al，厚度为50-300nm。
实施例一
步骤(1)选择方阻为5-25Ω，透过率在70-90％的FTO玻璃为衬底，随后用洗洁精、蒸馏水、乙醇和丙酮清洗。
步骤(2)Li或Mg或Li-Mg共掺杂NiO致密层的制备
乙酰丙酮镍、醋酸锂或醋酸镁作为源，按照化学计量比Ni:Li:Mg＝80:5:15，以Ni摩尔浓度0.01-0.04mol/L溶解在乙腈溶液中作为前驱液。将FTO玻璃导电面朝上放置在450-600℃加热台上，采用雾化喷涂方法将前驱体溶液喷涂在加热的FTO基板上。喷涂完成后继续在该温度下退火10-120分钟。最终实现沉积5-50nm厚度的Li或Mg或Li-Mg共掺杂NiO致密层。冷却待用。
步骤(3)钙钛矿薄膜(APbX3，A＝CH3NH3 +或CH(NH2)2 +或两者混合物；X＝Cl-、Br-、I-或其混合物)的制备
将摩尔数比为1:1至1:3的PbX2粉末和AX粉末混合溶解在DMF或DMSO溶液中，并在40-70℃下搅拌溶解，得到Pb摩尔浓度为1-2mol/mL的APbX3溶液。将上述钙钛矿前驱液旋凃在NiO致密层上，转速为3000-6000rmp，时间为20-60s，然后在70-150℃下加热10-120min。
步骤(4)电子传输层的制备
称取一定量的PCBM融入氯苯中，配成10-30mg/ml的溶液，搅拌溶解，将配制的PCBM溶液旋凃到钙钛矿层上，转速为500-3000rmp，时间为20-60s，然后在70℃加热5-60min，得到电子传输层。
步骤(5)LiF、BCP或TiOx等界面修饰层
将LiF粉体通过真空蒸镀的方式沉积到PCBM薄膜上，控制膜厚为0.5-5nm。或者将事先配制好的BCP饱和甲醇溶液，或钛酸异丙酯-甲醇体积比为1:200的混合溶液，作为前驱液，以2000-6000rpm的转速旋凃到PCBM薄膜上，然后在加热板上70℃退火5-60分钟。得到界面修饰层。
步骤(6)金属电极的制备
蒸镀设备达到1*10-5-5*10-4Pa后，在上述样品上热蒸发沉积60-300nm厚的Ag或Al层，电池面积1cm2。
实施例二
除步骤二外，所有步骤和方法与前述实施例一完全相同。
步骤(2)非掺杂NiO致密层的制备
将不含Li、Mg掺杂原料的乙酰丙酮镍粉末溶解在乙腈中，得到Ni摩尔浓度为0.01-0.04mol/L的前驱液。将FTO玻璃导电面朝上放置在450-600℃加热台上，采用雾化喷涂方法将前驱体溶液喷涂在加热的FTO基板上。喷涂完成后继续在该温度下退火10-120分钟。最终实现沉积5-50nm厚度的非掺杂NiO致密层。冷却待用。
实施效果：最后进行电池性能测试，比较电池光电转换性能的高低；通过改变电压扫描方式，电压扫描从短路到开路或从开路到短路变化，评价电池迟滞效应的差异；在标准太阳光强的持续照射下1000小时，钙钛矿太阳能电池样品随时间的变化。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种反式平面结构钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池从下至上由FTO导电玻璃、NiO致密层、钙钛矿薄膜、电子传输层、界面修饰层和金属电极组成；
所述致密层为Li或Mg掺杂NiO层或Li-Mg共掺杂NiO层；改善了致密层的透过率，提高了致密层的导电性，
所述钙钛矿薄膜为APbX3，A＝CH3NH3 +或CH(NH2)2 +或两者混合物；X＝Cl-、Br-、I-或其混合物。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述致密层中掺杂的原子比为Li:Ni＝1-15:100，Mg:Ni＝5-25:100。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述FTO导电玻璃方阻是5-25Ω，透过率在70-95％。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层为富勒烯衍生物薄膜，所述富勒烯衍生物薄膜为PC61BM或PC71BM。
5.一种反式平面结构钙钛矿太阳能电池的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)Li或Mg掺杂或Li-Mg共掺杂NiO致密层的制备
在镀了掺氟氧化锡FTO的导电玻璃上，将事先配好的混合有Li+、Mg2+离子一种或两种的NiO前驱液，通过热喷涂的方法沉积5-50nm厚的Li或Mg掺杂或Li-Mg共掺杂NiO致密层；
步骤(2)溶液法制备钙钛矿薄膜
所述钙钛矿薄膜为APbX3，A＝CH3NH3 +或CH(NH2)2 +或两者混合物；X＝Cl-、Br-、I-或其混合物，将配置好的钙钛矿前驱体溶液旋凃在掺杂NiO层上，然后在加热板上退火处理；
步骤(3)电子传输层的制备
将配制好的PCBM溶液旋凃到钙钛矿薄膜上，然后在加热板上退火处理；
步骤(4)界面修饰层的制备
将LiF粉体通过真空蒸镀的方式沉积到PCBM薄膜上。或者将事先配制好的的BCP或TiOx等前驱液旋凃到PCBM薄膜上，然后在加热板上退火处理；
步骤(5)金属电极的制备
将上述制备好的基底放入真空蒸发镀膜设备中，真空度达到1*10-5-5*10-4Pa，通过银或铝电极镀层厚度为50-300nm。
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