CN105405978A - 一种阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于平面钙钛矿太阳能电池技术领域。本发明的技术方案要点为：一种阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池，自下而上依次包括衬底、阳极修饰层、钙钛矿层、电子传输层、阴极修饰层和阴极层，所述的阴极修饰层的材质为碳酸铯或掺杂三氧化钼的碳酸铯。本发明还公开了该阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池的制备方法。本发明采用碳酸铯或掺杂三氧化钼的碳酸铯作为阴极修饰层，在一定程度上降低了阴极与电子传输层之间的接触势垒，减小了串联电阻，很大程度上提高了填充因子和开路电压，使能量转换效率得到了有效提高。

Description

一种阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于平面钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
目前，在光伏技术应用领域中占主导地位的硅基太阳能电池已经为我们提供了装机容量超过10GW的产品，但因其制备成本较高，工艺复杂，能否成为人类未来的主要清洁能源，发展中的太阳能电池不断遭受着质疑。钙钛矿型太阳能电池以其成本低廉和结构简单等优点吸引了众多科研工作者的关注。2009年以来，以有机-无机钙钛矿材料为基础的新型太阳电池得到了广泛关注，在短短几年内，其能量转化效率从开始的3%快速提高至15%以上，显示极具潜力的应用前景。为了进一步实现其产业化的需求，高效稳定的钙钛矿太阳能电池成为目前世界科学家追求的目标。而平钙钛矿结构太阳能电池的阴极电极普遍是银与电子传输层，而电子传输层与银电极之间存在较大的势垒差，阻碍了电子的有效传输。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种能够有效提高太阳能电池能量转换效率的阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池，其特征在于自下而上依次包括衬底、阳极修饰层、钙钛矿层、电子传输层、阴极修饰层和阴极层，所述的阴极修饰层的材质为碳酸铯或掺杂三氧化钼的碳酸铯，其中掺杂三氧化钼的碳酸铯中三氧化钼与碳酸铯的质量比为0.01-0.1:0.1。
本发明所述的阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）阳极修饰层的制备，在衬底上旋涂聚3,4-乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐溶液，然后于100-140℃在空气中退火10-30min形成均匀的阳极修饰层；
（2）钙钛矿层的制备，将碘化甲胺和氯化铅按照摩尔比3:1溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌5h制得钙钛矿的前驱体溶液，将钙钛矿的前驱体溶液旋涂于阳极修饰层上，然后于100℃退火30min得到均匀固化的钙钛矿层；
（3）电子传输层的制备，将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的邻二氯苯溶液旋涂于钙钛矿层上形成均匀的电子传输层；
（4）阴极修饰层的制备，将碳酸铯或掺杂三氧化钼的碳酸铯的乙醇溶液旋涂于电子传输层上形成均匀的阴极修饰层；
（5）阴极层的制备，在阴极修饰层上真空蒸镀Ag、Al或Au形成阴极层。
进一步限定，步骤（1）中的衬底为柔性基底、ITO导电玻璃、AZO导电玻璃或FTO导电玻璃，旋涂转速为4500rpm，旋涂时间为40s。
进一步限定，步骤（2）中钙钛矿的前驱体溶液的质量浓度30%。
进一步限定，步骤（3）中旋涂转速为2000rpm，旋涂时间为40s。
进一步限定，步骤（4）中碳酸铯和三氧化钼的纯度均在99.99%以上，掺杂三氧化钼的碳酸铯中三氧化钼与碳酸铯的质量比为0.01-0.1:0.1，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间为40s。
进一步限定，步骤（4）中阴极修饰层的厚度为4-8nm。
进一步限定，步骤（5）中阴极层的厚度为60-100nm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
（1）采用碳酸铯或掺杂三氧化钼的碳酸铯作为阴极修饰层，在一定程度上降低了阴极与电子传输层之间的接触势垒，减小了串联电阻，很大程度上提高了填充因子；
（2）采用三氧化钼掺杂碳酸铯作为阴极修饰层，在一定程度上降低了碳酸铯的功函数，促进光生电子的有效传输和收集，进而可以有效提高器件的开路电压，同时使能量转换效率得到了很大程度的提高，在较低成本的情况下实现了高效器件的制备，进一步推动了器件工业化生产。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
（1）阳极修饰层的制备，在ITO导电玻璃衬底上旋涂聚3,4-乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）溶液，加速到4500rpm的转速下旋转40s，然后于140℃在空气中退火20min形成均匀的阳极修饰层；
（2）钙钛矿层的制备，将碘化甲胺和氯化铅按照摩尔比3:1溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌5h制得质量浓度为30%的钙钛矿的前驱体溶液，将钙钛矿的前驱体溶液旋涂于阳极修饰层上，然后于100℃退火30min得到均匀固化的钙钛矿层；
（3）电子传输层的制备，将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的邻二氯苯溶液旋涂于钙钛矿层上，加速到2000rpm的转速下旋转40s形成均匀的电子传输层；
（4）阴极修饰层的制备，将碳酸铯的乙醇溶液旋涂于电子传输层上，加速到4000rpm的转速下旋转40s形成均匀的阴极修饰层；
（5）阴极层的制备，在阴极修饰层上真空蒸镀Ag形成阴极层。
实施例2
（1）阳极修饰层的制备，在ITO导电玻璃衬底上旋涂聚3,4-乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）溶液，加速到4500rpm的转速下旋转40s，然后于140℃在空气中退火20min形成均匀的阳极修饰层；
（2）钙钛矿层的制备，将碘化甲胺和氯化铅按照摩尔比3:1溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌5h制得质量浓度为30%的钙钛矿的前驱体溶液，将钙钛矿的前驱体溶液旋涂于阳极修饰层上，然后于100℃退火30min得到均匀固化的钙钛矿层；
（3）电子传输层的制备，将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的邻二氯苯溶液旋涂于钙钛矿层上，加速到2000rpm的转速下旋转40s形成均匀的电子传输层；
（4）阴极修饰层的制备，将掺杂三氧化钼的碳酸铯的乙醇溶液旋涂于电子传输层上，其中三氧化钼与碳酸铯的质量比为0.02:0.1，加速到2000rpm的转速下旋转40s形成均匀的阴极修饰层；
（5）阴极层的制备，在阴极修饰层上真空蒸镀Ag形成阴极层。
实施例3
（1）阳极修饰层的制备，在AZO导电玻璃衬底上旋涂聚3,4-乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）溶液，加速到4500rpm的转速下旋转40s，然后于100℃在空气中退火30min形成均匀的阳极修饰层；
（2）钙钛矿层的制备，将碘化甲胺和氯化铅按照摩尔比3:1溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌5h制得质量浓度为30%的钙钛矿的前驱体溶液，将钙钛矿的前驱体溶液旋涂于阳极修饰层上，然后于100℃退火30min得到均匀固化的钙钛矿层；
（3）电子传输层的制备，将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的邻二氯苯溶液旋涂于钙钛矿层上，加速到2000rpm的转速下旋转40s形成均匀的电子传输层；
（4）阴极修饰层的制备，将掺杂三氧化钼的碳酸铯的乙醇溶液旋涂于电子传输层上，其中三氧化钼与碳酸铯的质量比为0.01:0.1，加速到4000rpm的转速下旋转40s形成均匀的阴极修饰层；
（5）阴极层的制备，在阴极修饰层上真空蒸镀Al形成阴极层。
实施例4
（1）阳极修饰层的制备，在FTO导电玻璃衬底上旋涂聚3,4-乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）溶液，加速到4500rpm的转速下旋转40s，然后于140℃在空气中退火10min形成均匀的阳极修饰层；
（2）钙钛矿层的制备，将碘化甲胺和氯化铅按照摩尔比3:1溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌5h制得质量浓度为30%的钙钛矿的前驱体溶液，将钙钛矿的前驱体溶液旋涂于阳极修饰层上，然后于100℃退火30min得到均匀固化的钙钛矿层；
（3）电子传输层的制备，将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的邻二氯苯溶液旋涂于钙钛矿层上，加速到2000rpm的转速下旋转40s形成均匀的电子传输层；
（4）阴极修饰层的制备，将掺杂三氧化钼的碳酸铯的乙醇溶液旋涂于电子传输层上，其中三氧化钼与碳酸铯的质量比为0.1:0.1，加速到4000rpm的转速下旋转40s形成均匀的阴极修饰层；
（5）阴极层的制备，在阴极修饰层上真空蒸镀Au形成阴极层。
对比例1
（1）阳极修饰层的制备，在ITO导电玻璃衬底上旋涂聚3,4-乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）溶液，加速到4500rpm的转速下旋转40s，然后于140℃在空气中退火20min形成均匀的阳极修饰层；
（2）钙钛矿层的制备，将碘化甲胺和氯化铅按照摩尔比3:1溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌5h制得质量浓度为30%的钙钛矿的前驱体溶液，将钙钛矿的前驱体溶液旋涂于阳极修饰层上，然后于100℃退火30min得到均匀固化的钙钛矿层；
（3）电子传输层的制备，将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的邻二氯苯溶液旋涂于钙钛矿层上，加速到2000rpm的转速下旋转40s形成均匀的电子传输层；
（4）阴极层的制备，在阴极修饰层上真空蒸镀Ag形成阴极层。
表1实施例1-2和对比例1制得的平面钙钛矿太阳能电池的性能
短路电流（V） 开路电压(mA/cm2) 填充因子（%） 能量转换效率（%）
实施例1 0.94 21.5 69.8 14.0
实施例2 1.03 21.46 72.1 16.0
对比例1 0.86 21.7 69.6 13.0
从表1可以看出，实施例2采用掺杂三氧化钼的碳酸铯作为阴极修饰层的钙钛矿太阳能电池的能量转化率明显增高，而实施例1采用碳酸铯作为阴极修饰层的钙钛矿太阳能电池的能量转化率次之，由于碳酸铯具有很低的势垒高度，并且通过掺杂可以调节功函数，作为有机发光二极管的电子传输层，本发明利用掺杂三氧化钼的碳酸铯的低功函特征，插入银电极与电子传输层之间，降低了银电极与电子传输层之间的势垒高度，促进电子有效收集到银电极上，提高了电池的开路电压，最终也很大程度上提高了平面钙钛矿太阳能电池的能量转换效率。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (8)

1.一种阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池，其特征在于自下而上依次包括衬底、阳极修饰层、钙钛矿层、电子传输层、阴极修饰层和阴极层，所述的阴极修饰层的材质为碳酸铯或掺杂三氧化钼的碳酸铯，其中掺杂三氧化钼的碳酸铯中三氧化钼与碳酸铯的质量比为0.01-0.1:0.1。
2.一种权利要求1所述的阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）阳极修饰层的制备，在衬底上旋涂聚3,4-乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐溶液，然后于100-140℃在空气中退火10-30min形成均匀的阳极修饰层；
（2）钙钛矿层的制备，将碘化甲胺和氯化铅按照摩尔比3:1溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌5h制得钙钛矿的前驱体溶液，将钙钛矿的前驱体溶液旋涂于阳极修饰层上，然后于100℃退火30min得到均匀固化的钙钛矿层；
（3）电子传输层的制备，将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的邻二氯苯溶液旋涂于钙钛矿层上形成均匀的电子传输层；
（4）阴极修饰层的制备，将碳酸铯或掺杂三氧化钼的碳酸铯的乙醇溶液旋涂于电子传输层上形成均匀的阴极修饰层；
（5）阴极层的制备，在阴极修饰层上真空蒸镀Ag、Al或Au形成阴极层。
3.根据权利要求2所述的阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的衬底为柔性基底、ITO导电玻璃、AZO导电玻璃或FTO导电玻璃，旋涂转速为4500rpm，旋涂时间为40s。
4.根据权利要求2所述的阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（2）中钙钛矿的前驱体溶液的质量浓度30%。
5.根据权利要求2所述的阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（3）中旋涂转速为2000rpm，旋涂时间为40s。
6.根据权利要求2所述的阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（4）中碳酸铯和三氧化钼的纯度均在99.99%以上，掺杂三氧化钼的碳酸铯中三氧化钼与碳酸铯的质量比为0.01-0.1:0.1，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间为40s。
7.根据权利要求2所述的阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（4）中阴极修饰层的厚度为4-8nm。
8.根据权利要求2所述的阴极修饰型平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（5）中阴极层的厚度为60-100nm。
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