CN105470394A - 一种防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法 - Google Patents

一种防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于：包括玻璃衬底和依次层叠于该衬底上的致密层、钙钛矿层、致密氧化铝层、空穴传输层和金属电极层。将隔水的致密氧化铝层添加进传统的FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au的结构中，大幅度的提高了钙钛矿电池在不封装的情况下在空气中的稳定性。同时本发明通过先进的原子层沉积技术，准确的将氧化铝致密的厚度控制在亚纳米级别，可以有效的保证钙钛矿电池的性能不受影响。

Description

一种防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池领域，尤其涉及一种防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池展现出优异的光电性能和巨大的潜力。随着钙钛矿太阳电池技术的发展，基于这种吸光材料的电池器件光电转换效率高达19.3%。
基于CH3NH3PbI3的有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池由于迅速提升的效率在世界范围内备受关注。目前有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池目前报道的结构主要是FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au，其电池效率现已达到20.1%；但这种结构，主要存在以下缺点：有机/无机杂化钙钛矿材料在潮湿的环境中会迅速的分解成碘化铅和甲胺，所以基于有机/无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池在空气中的稳定下较差，钙钛矿材料的迅速分解导致电池性能迅速下降。CH3NH3PbI3上的沉积层只能在一定层度上阻止空气中的水分子与CH3NH3PbI3的接触，并不能解决有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池在空气中分解。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池，能够很好的隔绝水，且不影响电池的效率。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
(1)制备致密层:在沉积了掺氟氧化锡的玻璃衬底上，用匀胶机旋涂摩尔浓度为0.15mol/L的钛酸异丙酯的乙醇溶液，通过控制匀胶机转速沉积厚度为30nm的TiO2致密层，然后在450℃的条件下退火30min；
(2)制备钙钛矿层：在充满氩气的手套箱中，将摩尔质量比为3:1的CH3NH3I和PbCI2及含量为40wt%的丁内酯和二甲基亚砜的混合溶液通过两个连续不断的旋涂过程旋涂到TiO2致密层上；在第二阶段过程中，将1ml的甲苯逐滴滴到基底上，随后放置加热板上100℃加热10min；
(3)制备氧化铝致密层：器件冷却后，取出放到原子层沉积设备中，沉积5循环的Al2O3致密层；ALD沉积过程中，分别以二三甲基铝和臭氧作为铝和氧的前驱体，纯度为99.999%的氮气作为载气和清洗气体，每一个沉积循环包括四个步骤：通入TMA反应物90ms，N2吹扫1.5s，通入O3150ms，N2吹扫2s；
(4)制备空穴传输层：将事先配好的Spiro-OMeTADHTM溶液旋涂到钙钛矿层，通过控制匀胶机的旋速与HTM的滴加量，将HTM层控制在100nm左右；然后70℃的环境中烘30min后，放在无水有氧的环境中过夜氧化；
（5）制备金属电极层：将器件放到高电阻真空镀膜仪中，腔室真空度达到10-4pa后，将电极加热电流调为52A，在上述样品上热蒸发沉积100nm厚的Au层度。
优选的，所述步骤（1）中掺氟氧化锡玻璃衬底采用的是方块电阻为10-15欧姆，透过率在80-85%的掺氟氧化锡玻璃；匀胶机旋涂时间为30s，转速为1800转/分。
优选的，所述步骤（2）中含量为40wt%的丁内酯与二甲基亚砜的体积比为7:3；前期旋涂速度为1000r/min，旋转时间为90s；后期旋涂速度为5000r/min，旋转时间为30s。
优选的，所述步骤（3）沉积过程中，反应腔室温度控制在70℃，在70℃温度下，Al2O3的沉积速率为0.1nm/cycle。
优选的，所述步骤（4）中匀胶机的旋速为5000转/分钟，时间为20s，HTM的滴加量为半滴。
本发明的优点在于：将隔水的致密氧化铝层添加进传统的FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au的结构中，大幅度的提高了钙钛矿电池在不封装的情况下在空气中的稳定性；同时本发明通过先进的原子层沉积技术，准确的将氧化铝致密的厚度控制在亚纳米级别，可以有效的保证钙钛矿电池的性能不受影响。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图2为普通的有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池在空气中的性能测试。
图3为加有致密氧化铝的有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池在空气中的性能测试。
如图1所示：1、玻璃衬底；2、致密层；3、钙钛矿层；4、氧化铝致密层；5、空穴传输层；6、金属电极层。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示的一种防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
(1)制备致密层2:在沉积了方块电阻为10-15欧姆，透过率在80-85%的掺氟氧化锡的玻璃衬底1上，用匀胶机旋涂摩尔浓度为0.15mol/L的钛酸异丙酯的乙醇溶液，控制匀胶机转速为1800转/分，旋转30s，沉积厚度为30nm的TiO2致密层，然后在450℃的条件下退火30min；
(2)制备钙钛矿层3：在充满氩气的手套箱中，将摩尔质量比为3:1的CH3NH3I和PbCI2及体积比为7:3的含量为40wt%的丁内酯和二甲基亚砜的混合溶液通过两个连续不断的旋涂过程旋涂到TiO2致密层上；前期以1000r/min的转速旋转90s，后期以5000r/min的转速旋转30s，且在第二阶段过程中，将1ml的甲苯逐滴滴到基底上，随后放置10min；
(3)制备氧化铝致密层4：器件冷却后，取出放到原子层沉积设备中，沉积5循环的Al2O3致密层；ALD沉积过程中，分别以二三甲基铝和臭氧作为铝和氧的前驱体，纯度为99.999%的氮气作为载气和清洗气体，每一个沉积循环包括四个步骤：通入TMA反应物90ms，N2吹扫1.5s，通入O3150ms，N2吹扫2s；沉积过程中，反应腔室温度控制在70℃，在70℃温度下，Al2O3的沉积速率为0.1nm/cycle；
(4)制备空穴传输层5：将事先配好的Spiro-OMeTADHTM溶液旋涂到钙钛矿层，通过控制匀胶机的旋速为5000转/分钟，时间为20s与滴加半滴的HTM，将HTM层控制在100nm左右；然后70℃的环境中烘30min后，放在无水有氧的环境中过夜氧化；
（5）制备金属电极层6：将器件放到高电阻真空镀膜仪中，腔室真空度达到10-4pa后，将电极加热电流调为52A，在上述样品上热蒸发沉积100nm厚的Au层度。
本实施例将隔水的致密氧化铝层添加进传统的FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au的结构中，大幅度的提高了钙钛矿电池在不封装的情况下在空气中的稳定性；同时，通过先进的原子层沉积技术，准确的将氧化铝致密的厚度控制在亚纳米级别，可以有效的保证钙钛矿电池的性能不受影响。
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，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
(1)制备致密层:在沉积了掺氟氧化锡的玻璃衬底上，用匀胶机旋涂摩尔浓度为0.15mol/L的钛酸异丙酯的乙醇溶液，通过控制匀胶机转速沉积厚度为30nm的TiO2致密层，然后在450℃的条件下退火30min；
(2)制备钙钛矿层：在充满氩气的手套箱中，将摩尔质量比为3:1的CH3NH3I和PbCI2及含量为40wt%的丁内酯和二甲基亚砜的混合溶液通过两个连续不断的旋涂过程旋涂到TiO2致密层上；在第二阶段过程中，将1ml的甲苯逐滴滴到基底上，随后放置加热板上100℃加热10min；
(3)制备氧化铝致密层：器件冷却后，取出放到原子层沉积设备中，沉积5循环的Al2O3致密层；ALD沉积过程中，分别以二三甲基铝和臭氧作为铝和氧的前驱体，纯度为99.999%的氮气作为载气和清洗气体，每一个沉积循环包括四个步骤：通入TMA反应物90ms，N2吹扫1.5s，通入O3150ms，N2吹扫2s；
(4)制备空穴传输层：将事先配好的Spiro-OMeTADHTM溶液旋涂到钙钛矿层，通过控制匀胶机的旋速与HTM的滴加量，将HTM层控制在100nm左右；然后70℃的环境中烘30min后，放在无水有氧的环境中过夜氧化；
（5）制备金属电极层：将器件放到高电阻真空镀膜仪中，腔室真空度达到10-4pa后，将电极加热电流调为52A，在上述样品上热蒸发沉积100nm厚的Au层度。
2.根据权利要求1所述的防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中掺氟氧化锡玻璃衬底采用的是方块电阻为10-15欧姆，透过率在80-85%的掺氟氧化锡玻璃；
匀胶机旋涂时间为30s，转速为1800转/分。
3.根据权利要求1所述的防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中含量为40wt%的丁内酯与二甲基亚砜的体积比为7:3；前期旋涂速度为1000r/min，旋转时间为90s；后期旋涂速度为5000r/min，旋转时间为30s。
4.根据权利要求1所述的防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）沉积过程中，反应腔室温度控制在70℃，在70℃温度下，Al2O3的沉积速率为0.1nm/cycle。
5.根据权利要求1所述的防水有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中匀胶机的旋速为5000转/分钟，时间为20s，HTM的滴加量为半滴。
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