CN105280819A - 一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，具体公开了一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法。自下而上依次为透明导电电极、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属电极，所述电子传输层为TiO2致密层，所述钙钛矿光吸收层的材料为氯离子掺杂的钙钛矿材料。本发明舍弃了传统敏化太阳能电池中的TiO2介孔层，简化了器件结构和制备工艺；本发明使用氯掺杂的钙钛矿材料作为光吸收材料，有助于提高薄膜的成膜性，对载流子的扩散及分离也有促进作用；本发明针对透明导电电极以及TiO2致密层表面处理提出了氧等离子体处理工艺，提高了成膜效果；本发明针对钙钛矿光吸收层的厚度控制问题，采用了逐层旋涂工艺，可以实现调控光吸收层和整体电池的光电性能。

Description

一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿类材料具有非常优异的晶体学特征及光电性能。首先，钙钛矿材料拥有近乎完美的结晶度，这是砷化镓和晶体硅等无机太阳能电池材料共有的特征，但制造完美的无机太阳能材料通常需要非常高的温度、昂贵的真空设备和复杂的生长工艺，而高结晶度的钙钛矿类材料能在低温下，通过简易的化学方法合成。同时，钙钛矿类材料具有优异的光吸收性能，带隙宽度约为1.5eV，光吸收能力比有机染料高10倍以上，400nm厚的薄膜即可吸收紫外-近红外光谱范围内的所有光子。另外，钙钛矿类材料具有长程载流子扩散性能，掺氯的甲胺碘酸铅载流子有效扩散长度超过了1μm，是有机太阳能电池材料载流子扩散长度的100倍。再者，钙钛矿类电池光电转换过程的基本能量损失很小，约为0.4eV，与商业化的单晶硅电池能量相当，远优于传统的染料敏化电池（0.8eV）。
钙钛矿太阳能电池是一种使用钙钛矿类材料作为光吸收层的新型有机无机杂化的光伏体系。相比与其它种类的太阳能电池，光电转换效率为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍（理论计算可达50%），制造工序更为简单，能耗更低，原材料资源丰富，商用潜力无限，结合了有机和无机太阳能电池的特性，关键的吸光层材料是有机无机杂化的钙钛矿结构，具有结晶性好，缺陷少，吸光特性好，载流子扩散距离长、基本能量损耗少等优点，有望在实际应用领域得到更大的发展。
现有的钙钛矿太阳能电池制备过程中，采用了二氧化钛致密层和二氧化钛介孔层，总共两层二氧化钛结构，层界面之间存在大量晶界缺陷，同时需要对两层TiO2进行两次单独高温退火，整体制备工艺复杂，能耗高，光电转换效率低，严重降低了大批量制造此类太阳能电池的良率，从而限制了此类电池器件的商业化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法，舍弃了传统敏化太阳能电池中的介孔TiO2层，简化了器件结构和制备工艺。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种平面异质结钙钛矿太阳能电池，自下而上依次为透明导电电极、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属电极，其特征在于：所述电子传输层为TiO2致密层，所述钙钛矿光吸收层的材料为氯离子掺杂的钙钛矿材料。
所述透明导电电极为FTO导电玻璃，所述钙钛矿光吸收层的材料为CH3NH3PbI3-xClx，0＜x＜3，所述空穴传输层的材料为spiro-OMeTAD，所述金属电极为Au。
制备方法，包括如下步骤：
（1）、将透明导电电极经过超声清洗后，氮气吹干，进行氧等离子体处理；
（2）、采用旋涂工艺将有机钛前驱体溶液旋涂至透明导电电极表面，再在500～550℃保温20～40min，自然冷却至室温，得到TiO2致密层；其中，有机钛前驱体溶液的制备过程为：将0.45~0.48mol/L的钛酸异丙酯的异丙醇溶液和0.025~0.028mol/L的盐酸的异丙醇溶液等体积混合，搅拌均匀后即得；
（3）、制备完成TiO2致密层后，进行氧等离子体处理；
（4）、采用逐层旋涂工艺将钙钛矿溶液旋涂至TiO2致密层上，然后在110～130℃保温100～120min，得到钙钛矿光吸收层；
（5）、将空穴传输层溶液旋涂至钙钛矿光吸收层上，得空穴传输层；
（6）、采用真空热蒸镀工艺在空穴传输层上蒸镀金属电极，至此制得平面异质结钙钛矿太阳能电池。
步骤（2）中：旋涂速度为3900~4100r/min、旋涂时间为25~35s。
步骤（4）中：钙钛矿溶液为0.85~0.90mol/L氯化铅和2.45~2.50mol/L碘甲胺的N,N-二甲基甲酰胺溶液；旋涂次数为4~6次；每次旋涂时，旋涂速度为1900~2100r/min、旋涂时间为25~35s。
步骤（5）中：空穴传输层溶液的制备过程为：将72~73mgspiro-OMeTAD、28~29μL4-叔丁基吡啶、17～18μL浓度为520～530mg/mL的双三氟甲烷磺酰亚胺锂乙腈溶液，混合于0.5~1.5ml氯苯中即得；旋涂速度为2900~3100r/min、旋涂时间为25~35s。
步骤（6）中：所述金属电极为金，蒸镀参数为：初始气压为2×10-8~4×10-8Torr，蒸镀速率为0.1~0.3埃/秒，蒸镀厚度为50~70nm。
本发明的有益效果：
1、本发明舍弃了传统敏化太阳能电池中的TiO2介孔层，简化了器件结构和制备工艺，有助于降低电池生产成本，实现大规模生产应用。
2、本发明使用氯掺杂的钙钛矿材料作为光吸收材料，氯离子掺杂有助于提高薄膜的成膜性，对载流子的扩散及分离也有促进作用。
3、本发明针对透明导电电极的表面处理以及TiO2致密层表面处理提出了氧等离子体处理工艺，提高了旋涂工艺的成膜效果。
4、本发明针对钙钛矿光吸收层的厚度控制问题，采用了逐层旋涂工艺，可以实现对光吸收层厚度的有效调控，进而调控光吸收层和整体电池的光电性能。
5、在标准测试条件下，制备出的平面异质结钙钛矿太阳能电池光电转换效率达到10.88%，能够在大面积涂覆的低成本太阳能电池制造领域得到大力推广和应用。
附图说明
图1是本发明太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明太阳能电池的电子传输层（TiO2致密层）的形貌图；
图3是本发明太阳能电池的钙钛矿光吸收层的形貌图；
图4是本发明太阳能电池的截面图；
图5是本发明太阳能电池在标准测试条件下的J-V曲线图；
图6是本发明太阳能电池的外量子效率图。
具体实施方式
在下面具体实施例的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
图1为本发明的平面异质结钙钛矿太阳能电池的结构示意图，自下而上依次为透明导电电极1、电子传输层2、钙钛矿光吸收层3、空穴传输层4、金属电极5。具体地，所述透明导电电极1为FTO导电玻璃，所述电子传输层2为TiO2致密层，所述钙钛矿光吸收层3为CH3NH3PbI3-xClx层，所述空穴传输层4为spiro-OMeTAD层，所述金属电极5为Au。
制作流程包含以下步骤：
步骤S1--FTO导电玻璃准备：将FTO导电玻璃按顺序分别在去离子水、丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗10分钟，在氮气下吹干，之后将FTO导电玻璃进行氧等离子体处理。
本步骤中，FTO导电玻璃经过超声清洗后的氧等离子体处理，可以提高FTO导电玻璃表面功函数，进一步去除FTO导电玻璃表面残留有机杂质，并可以增强下步骤中TiO2的成膜性。
步骤S2--电子传输层的制备：采用旋涂工艺将有机钛前驱体溶液旋涂（4000r/min，30s）至FTO导电玻璃表面，再在550℃保温30min，自然冷却至室温，得TiO2致密层；其中，有机钛前驱体溶液的制备过程为：将0.46mol/L的钛酸异丙酯的异丙醇溶液和0.026mol/L的盐酸的异丙醇溶液等体积混合，搅拌均匀后即得。
本步骤关键的是控制TiO2致密层的厚度以及TiO2的结晶度，对TiO2厚度和结晶性能的调控，有利于改善其电子传输，对提高电池效率非常重要。
图2为制备的TiO2致密层形貌图。
本步骤中，通过优化的有机钛前驱体溶液配比、旋涂沉积工艺、热处理工艺，可以制备出光电性能、机械性能优良的TiO2致密层。
步骤S3：对上步所得到的TiO2致密层进行氧等离子体处理，此步骤有助于改善钙钛矿材料成膜质量。
步骤S4--钙钛矿光吸收层的制备：采用逐层旋涂工艺将钙钛矿溶旋涂至TiO2致密层上。在本步骤中，钙钛矿光吸收层的厚度以及钙钛矿的结晶性对器件的效率有着非常重要的影响，本步骤通过采取适宜浓度的钙钛矿溶液（0.88mol/L氯化铅和2.46mol/L碘甲胺的N,N-二甲基甲酰胺溶液），最佳旋涂速度2000转/分钟，最佳旋涂时间30s，最佳旋涂次数5次，适宜的退火工艺（120℃下保温120min），得到了性能优异的钙钛矿光吸收层。
通过逐层旋涂沉积工艺制备的钙钛矿层的形貌如图3所示。
本步骤中，采用掺杂的钙钛矿及逐层旋涂工艺，可以有效调控光吸收层的厚度，进而优化光吸收层的光电性能。
步骤S5--空穴传输层的制备：空穴传输层是光激发产生空穴的传输通道，同时可以阻挡电子进入此层，降低电子和空穴的复合机率，提高太阳能电池的光电转换效率。
本步骤采取旋涂工艺将空穴传输层溶液制备成空穴传输层材料。经过多次试验，本步骤采用了最优化的工艺参数（旋涂速度为3000转/分钟，旋涂时间30s），空穴传输层溶液的最优成分（72.3mgSpiro-OMeTAD，28.8μL四叔基吡啶，17.5μL浓度为520mg/mL的双三氟甲烷磺酰亚胺锂乙腈溶液，混合于1ml氯苯）。
步骤S6--金属电极的制备：本发明采用金作为太阳能电池的金属电极，可以有效地收集空穴并使其高效地传输至外电路。
本步骤通过真空热蒸镀的工艺进行金电极的制备，采取的最优工艺参数为：初始气压3×10-8Torr，蒸镀速率0.2埃/秒，蒸镀厚度60nm。
至此，本实施例采用最优化的工艺参数，完成平面异质结的“FTO/TiO2/CH3NH3PbI3-xClx/spiro-OMeTAD/Au”钙钛矿太阳能电池的全部制备过程。本实施例制作的太阳能电池的截面图如图4所示，各层材料的厚度测量结果如下，FTO层为600nm～650nm，TiO2致密层（TiO2denselayer）为50nm～70nm，钙钛矿光吸收层（Perovskite）为300nm～400nm，空穴传输层（spiro-OMeTAD）为250nm～350nm，金属电极层（Gold）为50～70nm。
在标准测试条件（AM1.5G光照），本实施例所制备的电池器件光电转换效率达到10.88%，填充因子为52%，开路电压为0.88V，短路电流密度为23.71mA/cm2，J-V曲线图如图5所示，外量子效率如图6所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种平面异质结钙钛矿太阳能电池，自下而上依次为透明导电电极、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属电极，其特征在于：所述电子传输层为TiO2致密层，所述钙钛矿光吸收层的材料为氯离子掺杂的钙钛矿材料。
2.如权利要求1所述的平面异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述透明导电电极为FTO导电玻璃，所述钙钛矿光吸收层的材料为CH3NH3PbI3-xClx，0＜x＜3，所述空穴传输层的材料为spiro-OMeTAD，所述金属电极为Au。
3.一种制备如权利要求1所述的平面异质结钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）、将透明导电电极经过超声清洗后，氮气吹干，进行氧等离子体处理；
（2）、采用旋涂工艺将有机钛前驱体溶液旋涂至透明导电电极表面，再在500～550℃保温20～40min，自然冷却至室温，得到TiO2致密层；其中，有机钛前驱体溶液的制备过程为：将0.45~0.48mol/L的钛酸异丙酯的异丙醇溶液和0.025~0.028mol/L的盐酸的异丙醇溶液等体积混合，搅拌均匀后即得；
（3）、制备完成TiO2致密层后，进行氧等离子体处理；
（4）、采用逐层旋涂工艺将钙钛矿溶液旋涂至TiO2致密层上，然后在110～130℃保温100～120min，得到钙钛矿光吸收层；
（5）、将空穴传输层溶液旋涂至钙钛矿光吸收层上，得空穴传输层；
（6）、采用真空热蒸镀工艺在空穴传输层上蒸镀金属电极，至此制得平面异质结钙钛矿太阳能电池。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤（2）中：旋涂速度为3900~4100r/min、旋涂时间为25~35s。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤（4）中：钙钛矿溶液为0.85~0.90mol/L氯化铅和2.45~2.50mol/L碘甲胺的N,N-二甲基甲酰胺溶液；旋涂次数为4~6次；每次旋涂时，旋涂速度为1900~2100r/min、旋涂时间为25~35s。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤（5）中：空穴传输层溶液的制备过程为：将72~73mgspiro-OMeTAD、28~29μL4-叔丁基吡啶、17～18μL浓度为520～530mg/mL的双三氟甲烷磺酰亚胺锂乙腈溶液，混合于0.5~1.5ml氯苯中即得；旋涂速度为2900~3100r/min、旋涂时间为25~35s。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤（6）中：所述金属电极为金，蒸镀参数为：初始气压为2×10-8~4×10-8Torr，蒸镀速率为0.1~0.3埃/秒，蒸镀厚度为50~70nm。
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