CN105470401A - 一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法 - Google Patents

一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：a透明导电玻璃基底或导电聚合物基底清洗；b在所述基底上制备阳极修饰层；c通过丝棒在阳极修饰层上刮涂钙钛矿前驱体溶液并热处理制备钙钛矿活性层；d在钙钛矿活性层上制备阴极修饰层；e在阴极修饰层上制备金属阴极。本发明通过改变钙钛矿活性层的制备方法，大大简化了工艺降低了成本，制备的钙钛矿活性层面积、厚度灵活可控，可实现大面积连续工业化制备高效率钙钛矿型太阳能电池。

Description

一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及钙钛矿太阳能电池制备技术，具体涉及一种基于丝棒刮涂工艺的钙钛矿太阳能电池制备方法。
背景技术
环境污染以及化石能源的日益枯竭已经严重制约了人类社会的可持续发展。太阳能作为一种清洁可再生能源，具有取之不尽用之不竭的特点，通过太阳能到电能的转变可以为人类社会的发展提供源源不断的动力，太阳能成为人类社会解决环境问题、能源短缺问题的重要突破口。
2014年全球太阳能电池产能超过55GW，其中大部分以硅太阳能电池为主，然而硅太阳能电池存在生产成本偏高、制备工艺复杂和制造过程存在严重污染等问题。为此，人们致力于探索出一种原料成本更低廉，制作工艺更简单的太阳能电池。量子点太阳能电池、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池以及最近发现的钙钛矿太阳能电池等成为人们追逐的热点，具有很大的发展潜力。
钙钛矿太阳能电池从发现至今不到六年的时间里，转化效率从最初的3.8%突破到现在的20%，表现出了巨大的应用潜力。钙钛矿太阳能电池不仅具有较高的光电转化效率，而且其活性层材料制备容易、价格低廉，是理想的制备太阳能电池的原料。此外钙钛矿太阳能电池全固态的活性层给电池的封装带来了极大的便利，可在柔性衬底上沉积活性层的特点又进一步扩大了其应用领域，总之钙钛矿太阳能电池具有很大的实际应用潜力。
钙钛矿太阳能电池虽然在能量转化效率方面拥有着巨大的优势，但仍然存在着许多问题亟待解决，如电池的稳定性、电池的寿命、如何大面积制备等等。目前钙钛矿太阳能电池的制备工艺主要有溶液旋涂、真空蒸镀等方法，其中溶液旋涂法工艺比较成熟。采用旋涂工艺制造的太阳能电池实验室光电转化效率达到20.1%，然而通过旋涂法往往只能制备小面积的钙钛矿太阳能电池，电池面积受到限制无法在工业生产中实现大面积制备和应用。另一种真空蒸镀法需要较高的真空度，对设备要求较高，能耗较大，也不适宜大规模工业化生产。因此，开发一种大面积钙钛矿太阳能电池制备工艺对于其大规模工业化应用具有重要意义。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于丝棒刮涂工艺的钙钛矿太阳能电池制备方法，采用该方法可提高钙钛矿太阳能电池面积，适用于大规模工业化生产。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：a导电玻璃基底清洗或导电聚合物基底清洗；b在基底上制备阳极修饰层；c通过丝棒在阳极修饰层上刮涂钙钛矿前驱体溶液，流平烘干制备钙钛矿活性层；d在钙钛矿活性层上制备阴极修饰层；e在阴极修饰层上制备金属阴极。
步骤a所述导电玻璃基底清洗包括依次用乙醇、丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗并烘干，接着用紫外光照射处理；所述导电聚合物基底清洗包括去离子水超声清洗。
步骤b所述制备阳极修饰层包括将PEDOT:PSS溶液旋涂到洗净的导电玻璃基底上并在90-150℃下热处理10-20min，或将PEDOT:PSS溶液旋涂到洗净的导电聚合物基底上并在90-110℃热处理10-20min，所述PEDOT:PSS旋涂量为0.00261-0.00522mg/mm2。
优选的，所述PEDOT:PSS溶液旋涂前经PVDF滤纸过滤。
步骤c所述丝棒包括钢棒和紧密缠绕在钢棒上的钢丝，所述刮涂包括在阳极修饰层上滴加钙钛矿前驱体溶液，保持丝棒和阳极修饰层接触，固定基底移动丝棒或固定丝棒移动基底，所述钙钛矿前驱体的涂布量为0.03-0.1mg/mm2。
优选的，所述钙钛矿前驱体溶液由前驱体材料配制而成，所述前驱体材料包括摩尔比为1:1的碘化铅和碘化甲胺组合物、摩尔比为1:1的氯化铅和碘化甲胺组合物、摩尔比为1:1的溴化铅和碘化甲胺组合物中的一种或任意二种以上（含二种）按任意配比的混合物。
步骤d所述阴极修饰层通过在钙钛矿活性层上旋涂PCBM溶液制备，PCBM旋涂量为0.0023-0.0117mg/mm2。
步骤e所述金属阴极通过掩膜板真空蒸镀Ag制备。
本发明提供一种基于丝棒刮涂工艺的钙钛矿太阳能电池制备方法，该方法设备及工艺简单、操作容易。刮涂面积与丝棒长度成正比，丝棒越长刮涂形成的钙钛矿活性层面积越大，钙钛矿活性层厚度可通过调整钢丝直径灵活控制。本发明为钙钛矿太阳能电池的大面积制备提供了一种有效的工艺手段。
附图说明
图1为本发明制备钙钛矿活性层所使用的丝棒剖面示意图；
图2为本发明制备的钙钛矿太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，刮涂所使用的丝棒由钢丝1紧密缠绕在钢棒2上形成。使用时将配制好的钙钛矿前驱体溶液滴在基板阳极修饰层上，丝棒与基板紧密接触时钙钛矿前驱体溶液充满钢丝间的间隙，保持基板和丝棒相对运动可实现大面积连续化刮涂操作。
通过改变钢丝的粗细可调整两相邻钢丝间的距离a，实现对刮涂湿膜直至钙钛矿活性层厚度的调节：在其他条件不变的情况下，钢丝越粗a越大，刮涂形成的湿薄越厚，相应的钙钛矿活性层也越厚。
所述钙钛矿前驱体溶液由前驱体材料溶于适当溶剂中形成，前驱体材料包括摩尔比为1:1的碘化铅和碘化甲胺组合物、摩尔比为1:1的氯化铅和碘化甲胺组合物、摩尔比为1:1的溴化铅和碘化甲胺组合物中的一种或任意二种以上（含二种）按任意配比的混合物。
实施例1
将图案化的方阻为15Ω的ITO导电玻璃基底依次用乙醇、丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗10分钟，烘干后用UV紫外光照射10分钟以除去导电玻璃表面残留的有机物小分子。
用PVDF滤膜将浓度为13.04g/L的PEDOT:PSS溶液过滤，以4000rpm的转速将30~60μl所述溶液旋涂在处理好的10mm×15mm的ITO导电玻璃基底上。旋涂完成后的基底在90℃~150℃热处理10~20分钟，用棉签擦去多余的部分，得到PEDOT:PSS薄膜作为阳极修饰层。
将碘化铅和碘化甲胺按照1:1的摩尔比配制成浓度为300-1000mg/ml的钙钛矿前驱体溶液，60℃条件下避光加热搅拌12小时。取15μl配制好的钙钛矿前驱体溶液滴加在PEDOT:PSS薄膜上。根据薄膜的厚度选择丝棒的大小，将丝棒下降到与基底接触。采用基底固定丝棒移动或者基底移动丝棒固定的方式对钙钛矿前驱体溶液进行刮涂，得到一定厚度的湿膜。由于湿膜极不均匀，需要在刮涂的热台上水平放置一段时间流平，同时挥发掉部分溶剂。将流平后的湿膜置于100℃热处理10min~30min，待甲胺铅碘结晶后即得均匀的钙钛矿活性层。
用氯苯做溶剂在手套箱中配制固含量为10-50mg/ml的PCBM溶液，50℃下搅拌2小时。在钙钛矿活性层上以1000rpm的转速旋涂35μl制备好的PCBM溶液并烘干形成阴极修饰层。刮去多余的部分露出导电电极。
采用掩膜板真空蒸镀的方法在阴极修饰层上蒸镀一层厚度约为100nm的Ag阴极。蒸镀完成后即得一个完整的倒置结构的钙钛矿太阳能电池（如图2所示）。
为了说明钢丝直径与钙钛矿活性层厚度的关系，我们在其他条件相同的情况下用缠绕不同直径钢丝的丝棒进行了刮涂实验，结果如下表：
钢丝直径（mm） 1 0.4
钙钛矿活性层厚度（μm） 5-6 1-2
实施例2
导电聚合物基底可选择镀有ITO的PC或PET等塑料薄膜，本实施例以PET塑料薄膜为例进行说明。
将镀有ITO的PET导电聚合物基底用去离子水超声清洗10分钟，干燥后备用。将30-60μl经PVDF滤膜过滤、浓度为13.04g/L的PEDOT:PSS溶液以4000rpm的转速旋涂于10mm×15mm的PET导电聚合物基底上，之后将该基底置于90℃~110℃热处理10~20分钟，得到PEDOT:PSS薄膜作为阳极修饰层。
将氯化铅和碘化甲胺按照1:1的摩尔比配制成浓度为300-1000mg/ml的钙钛矿前驱体溶液，60℃下避光加热搅拌12小时。取15μl配制好的钙钛矿前驱体溶液滴加在PEDOT:PSS薄膜上。根据所需钙钛矿活性层的厚度选择丝棒大小。将丝棒下降到与基底接触，采用基底固定丝棒移动或者基底移动丝棒固定的方式对钙钛矿前驱体溶液进行刮涂，得到一定厚度的湿膜。将基底置于一定温度的热台上使湿膜流平同时挥发掉部分溶剂。流平后的湿膜在100℃热处理10~30min，结晶后即得均匀的钙钛矿活性层。
用氯苯做溶剂在手套箱中配制PCBM溶液，固含量为10-50mg/ml，50℃下搅拌2小时。将35μl的PCBM溶液以1000rpm的转速旋涂在钙钛矿活性层上并低温烘干形成阴极修饰层，刮去多余的部分露出导电电极。
采用掩膜板真空蒸镀的方法在阴极修饰层上蒸镀一层厚度约为100nm的Ag阴极，即得一个完整的倒置结构的钙钛矿太阳能电池（如图2所示）。

Claims (8)

1.一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：a导电玻璃基底清洗或导电聚合物基底清洗；b在基底上制备阳极修饰层；c通过丝棒在阳极修饰层上刮涂钙钛矿前驱体溶液，流平烘干制备钙钛矿活性层；d在钙钛矿活性层上制备阴极修饰层；e在阴极修饰层上制备金属阴极。
2.根据权利要求1所述的一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤a所述导电玻璃基底清洗包括依次用乙醇、丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗并烘干，接着用紫外光照射处理；所述导电聚合物基底清洗包括去离子水超声清洗。
3.根据权利要求1所述的一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤b所述制备阳极修饰层包括将PEDOT:PSS溶液旋涂到洗净的导电玻璃基底上并在90-150℃下热处理10-20min，或将PEDOT:PSS溶液旋涂到洗净的导电聚合物基底上并在90-110℃热处理10-20min，所述PEDOT:PSS旋涂量为0.00261-0.00522mg/mm2。
4.根据权利要求3所述的一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述PEDOT:PSS溶液旋涂前经PVDF滤纸过滤。
5.根据权利要求1所述的一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤c所述丝棒包括钢棒和紧密缠绕在钢棒上的钢丝，所述刮涂包括在阳极修饰层上滴加钙钛矿前驱体溶液，保持丝棒和阳极修饰层接触，固定基底移动丝棒或固定丝棒移动基底，所述钙钛矿前驱体的涂布量为0.03-0.1mg/mm2。
6.根据权利要求5所述的一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述钙钛矿前驱体溶液由前驱体材料配制而成，所述前驱体材料包括摩尔比为1:1的碘化铅和碘化甲胺组合物、摩尔比为1:1的氯化铅和碘化甲胺组合物、摩尔比为1:1的溴化铅和碘化甲胺组合物中的一种或任意二种以上按任意配比的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤d所述阴极修饰层通过在钙钛矿活性层上旋涂PCBM溶液制备，PCBM旋涂量为0.0023-0.0117mg/mm2。
8.根据权利要求1所述的一种基于丝棒刮涂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤e所述金属阴极通过掩膜板真空蒸镀Ag制备。
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