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Abstract

本发明涉及光伏电池，特别是涉及一种钙钛矿结构的太阳能电池及其制备方法。所述太阳能电池包括从下至上的透明导电玻璃基底、电子传输层、钙钛矿光敏层、空穴传导层和金属电极层，其特征在于：所述钙钛矿光敏层两侧围有ITO阻隔层，有效地保护着钙钛矿薄膜，并使其免受潮湿环境的侵蚀，从而改善了钙钛矿太阳能电池的稳定性。本发明还涉及一种空气中沉积钙钛矿薄膜的方法，该方法简单、易行、可控制，能够实现工业化条件下的大规模生产，具有较高的应用价值。

Description

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及光伏电池，特别是涉及一种钙钛矿结构的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
基于卤化铅钙钛矿薄膜的太阳能电池在短短五年的时间里发展迅速，其光电转换效率已提高到20%以上，超过了很多其他类型的太阳能电池；然而，由于卤化铅钙钛矿的湿度敏感性，特别是钙钛矿材料中的有机组分容易在含水气的环境下分解，钙钛矿薄膜的制备大部分是在充满惰性气体的手套箱中完成的，因而其光伏器件在实践应用方面受到限制；当前，在改善钙钛矿光伏电池湿度稳定性的研究方面，除了优化钙钛矿膜的质量外，更多集中在电池结构的改变，如采用超薄的绝缘层氧化铝沉积在钙钛矿薄膜上，阻挡水分的侵蚀；或是采用稳定的覆盖层碳材料作为对电极，提高耐湿性能，但钙钛矿薄膜层的横向截面往往暴露在空气中，最易受到湿气的影响， 基于此，本发明从横向截面防护入手，提出一种具有围墙结构的ITO阻隔层,有效保护着钙钛矿薄膜，通过与其他结构的钙钛矿太阳能电池相比较，采用本方法所制得的电池更稳定；另外，本发明也涉及一种空气中制备钙钛矿薄膜的方法，简单高效，为钙钛矿太阳能电池大规模生产提供了一个方向。
发明内容
为了克服钙钛矿湿度稳定技术的问题，针对背景技术中钙钛矿薄膜层的侧面疏于防护及制备环境的局限性，本发明采用磁控溅射技术沉积具有围墙结构的ITO阻隔层，并尝试用一种有效混合溶剂在一定湿度环境下沉积钙钛矿薄膜，从而提供了一种基于空气中制备钙钛矿太阳能电池的方法。
一种基于空气中制备的钙钛矿太阳能电池，所述太阳能电池包括从下至上的透明导电玻璃基底、电子传输层、钙钛矿光敏层、空穴传导层和金属电极层，其特征在于：所述钙钛矿光敏层两侧围有ITO阻隔层。
所述透明导电玻璃基底为FTO导电玻璃，其方块电阻是8-10Ω，透过率在80%。
所述电子传输层为氧化锌层，层厚为30-40nm。
所述钙钛矿光敏层（为杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层，其被涂覆填充在具有围墙结构的ITO阻隔层里，层厚为300-400 nm。
所述空穴传导层为P3HT，层厚为100-150nm。
所述金属电极层为Ag电极，层厚为150nm。
一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括在透明导电玻璃基底上沉积一层电子传输层的步骤，再在电子传输层上涂覆填充一层钙钛矿光敏层的步骤，接着在钙钛矿光敏层上沉积一层空穴传导层的步骤，最后在空穴传导层上蒸镀一层金属电极层的步骤；其特征在于：上述制备过程是在空气中进行制备的，所述的再在电子传输层上涂覆填充一层钙钛矿光敏层的步骤为：先在电子传输层上两侧制备一层具有围墙结构的ITO阻隔层，然后在ITO阻隔层里涂覆填充一层钙钛矿光敏层。
所述的先在电子传输层上制备一层具有围墙结构的ITO阻隔层指：在电子传输层上采用直流磁控溅射法沉积300-400nm厚的均匀致密的ITO阻隔层。
所述的在ITO阻隔层里涂覆填充一层钙钛矿光敏层的步骤为：
将摩尔数之比为1:1的PbI2粉末和CH3NH3I晶体混合溶解在二甲基乙酰胺和超纯水按照体积比19:1组成的溶剂中，并60℃下搅动12小时，得到浓度为1.5 mol/L的CH3NH3PbI3溶液；在相对湿度为26-30%的环境中，将CH3NH3PbI3溶液旋涂在阻隔层里，转速为5000r.p.m，时间为40s，然后100℃下加热10min，最后冷却得到填充在ITO阻隔层里的钙钛矿光敏层。
本发明所采用的技术方案如下：
一、电子传输层的制备
在镀了掺氟氧化锡的玻璃（FTO）上，用原子层沉积（ALD）技术生长30-40nm厚的致密的ZnO层。
二、阻隔层的制备
在电子传输层上采用直流磁控溅射法沉积300-400nm厚的均匀致密的ITO薄膜。
三、溶液法制备杂化钙钛矿层
在湿度环境中，将配制好的钙钛矿前体溶液旋涂在阻隔层内，然后在加热板上退火处理。
四、空穴传导层的制备
在空气中，将事先配制好的P3HT溶液旋涂到钙钛矿层上，控制旋速与用量，控制厚度在100-150nm。
六、背电极的制备
将准备好的样片用金属罩固定在基板上，然后放入高真空电阻蒸发镀膜机中，真空度达1.5×10-3Pa，通过设定参数来精确控制蒸发银的厚度：一般为150nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是提出了一种新的基于空气中制备的，具有围墙保护结构的杂化钙钛矿太阳能电池；通过有效溶剂和控制湿度的配合，实现了空气中的操作，并且利用阻隔层ITO优良的化学稳定性，形成对钙钛矿层的横向面防护，由于ITO具有很强的吸水性，等于起到了干燥剂的作用，这有效改善了杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。
附图说明
图1为基于空气中制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；其中：1-导电玻璃；2-电子传输层；3-阻隔层；4-钙钛矿光敏层；5-空穴传导层；6-金属电极层。
图2为图1中的俯视图。
图3为实例一的电池在AM1.5光照下I-V曲线图。
具体实施方式
实施例一
1、选择方块电阻8Ω、2.5mm厚，透过率在80%的FTO玻璃作为衬底材料，并使用洗衣粉、超纯水、丙酮、乙醇清洗，最后利用等离子清洗机处理。
2、电子传输层的制备
利用ALD技术生长30nm厚的ZnO层，水和二乙基锌作为源，沉积条件：反应温度200℃，在反应腔室通入Zn(CH2CH3)2(DEZ) 900ms，氮气清洗1.5s，通H2O 700ms，氮气吹扫1s，完成一个循环，共沉积165个循环。
3、阻隔层ITO的制备
利用直流磁控溅射法沉积300nm厚的ITO层，溅射靶材料为ITO靶，沉积工艺：本底真空度为2.0×10-6Pa，氩气压强为0.25 Pa，氩气流量15.0cm3/min，溅射功率300w，基板温度100℃，镀膜时间15min，最终完成溅射镀膜。
4、钙钛矿光敏层的制备
（1）合成CH3NH3I
将30mL甲胺和33mL氢碘酸混合加入到置于0℃冰水浴的圆底烧瓶中，搅拌两个小时，形成无色透明的CH3NH3I溶液；溶液用旋转蒸发器烘干，然后用乙醚乙醇洗涤干净，得到白色的CH3NH3I晶体。
（2）钙钛矿层制备
将摩尔数之比为1:1的PbI2黄色粉末和CH3NH3I白色晶体混合溶解在5ml的溶剂（二甲基乙酰胺：超纯水=19:1）中，并60℃下搅动12小时，得到浓度为1.5 mol/L的CH3NH3PbI3溶液；在相对湿度为28%的环境中，将CH3NH3PbI3溶液旋涂在阻隔层里，转速为5000r.p.m，时间为40s，然后100℃下加热10min，最后冷却得到填充在ITO阻隔层里的钙钛矿光敏层。
5、空穴传导层P3HT的制备
取4mL甲苯和60μL乙腈混合后，依次称量60mg P3HT（聚正己基噻吩）、30μL t-BP（叔丁基吡啶）和5.1mg Li-TFSI（二（三氟甲基磺酰）锂）加到溶液中，搅拌溶解，配制成P3HT溶液；将配好的P3HT溶液旋涂到钙钛矿层上，转速为2500r.p.m，对应时间为30s，最后得到厚度为120nm的空穴传导层。
6、背电极的制备
等腔室真空度达到1.5×10-3Pa后，设定参数，打开蒸发电源开关，电流调到45A，在上述样品上热蒸发沉积150nm厚的Ag层，电池面积为0.5cm×0.5cm。
实施效果：最后进行电池的性能测试，在AM1.5,100mW/cm2标准光强的照射下，钙钛矿太阳能电池样品的开路电压（Voc）为0.83V，短路电流（Jsc）为17.9mA/cm2，填充因子（FF）为0.405，效率（PCE）为6.01%，如图3所示，为其测得的电流电压曲线图。

Claims (7)

1.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述钙钛矿太阳能电池包括从下至上的透明导电玻璃基底、电子传输层、钙钛矿光敏层、空穴传导层和金属电极层，所述钙钛矿光敏层两侧围有ITO阻隔层；制备方法包括在透明导电玻璃基底上沉积一层电子传输层的步骤，再在电子传输层上涂覆填充一层钙钛矿光敏层的步骤，接着在钙钛矿光敏层上沉积一层空穴传导层的步骤，最后在空穴传导层上蒸镀一层金属电极层的步骤；其特征在于：上述制备过程是在空气中进行制备的，所述的再在电子传输层上涂覆填充一层钙钛矿光敏层的步骤为：先在电子传输层上两侧制备一层具有围墙结构的ITO阻隔层，然后在ITO阻隔层里涂覆填充一层钙钛矿光敏层；所述的在ITO阻隔层里涂覆填充一层钙钛矿光敏层的步骤为：将摩尔数之比为1:1的PbI2粉末和CH3NH3I晶体混合溶解在二甲基乙酰胺和超纯水按照体积比19:1组成的溶剂中，并60℃下搅动12小时，得到浓度为1.5mol/L的CH3NH3PbI3溶液；在相对湿度为26-30％的环境中，将CH3NH3PbI3溶液旋涂在阻隔层里，转速为5000r.p.m，时间为40s，然后100℃下加热10min，最后冷却得到填充在ITO阻隔层里的钙钛矿光敏层。
2.如权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的先在电子传输层上制备一层具有围墙结构的ITO阻隔层指：在电子传输层上采用直流磁控溅射法沉积300-400nm厚的均匀致密的ITO阻隔层。
3.如权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述透明导电玻璃基底为FTO导电玻璃，其方块电阻是8-10Ω，透过率在80％。
4.如权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述电子传输层为氧化锌层，层厚为30-40nm。
5.如权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述钙钛矿光敏层被涂覆填充在具有围墙结构的ITO阻隔层里，层厚为300-400nm。
6.如权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述空穴传导层为P3HT，层厚为100-150nm。
7.如权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述金属电极层为Ag电极，层厚为150nm。
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