CN105742504A - 一种高稳定性钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二维?三维复合钙钛矿结构的高稳定性钙钛矿太阳能电池，涉及太阳能电池和发光器件领域。本发明的高稳定性钙钛矿太阳能电池将二维和三维钙钛矿相结合，充分利用二维钙钛矿高稳定性优势和三维结构钙钛矿的高光电转化效率优势，能够在不影响钙钛矿太阳能电池效率的情况下显著提高其稳定性。

Description

一种高稳定性钙钛矿太阳能电池
技术领域
本发明属于太阳能电池和发光器件领域，特别涉及一种高稳定性钙钛矿太阳能电池。
背景技术
当前能源危机和环境污染已经成为全球共同关注的焦点，太阳能光伏电池能够直接将太阳能转化成电能，是人类应对能源危机和环境污染的重要对策。近几年来钙钛矿太阳能电池的出现引起了学术界和产业界的广泛关注。从2009年钙钛矿太阳能电池首次制备出来至今，其转化效率已经从3.8％(Journal of theAmerican Chemical Society,2009,131(17):6050-6051.)迅速提升至20％(Science,2015,348(6240):1234-1237.)，逼近可商业化的水平。与硅，碲化镉，铜铟镓硒等无机太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池具有工艺简单，成本低廉的优势。常用的溶液法，如旋涂、丝网印刷、刮刀涂布等都能用来制备钙钛矿太阳能电池。另一方面，与有机，染料敏化，量子点太阳能电池等相比，钙钛矿太阳能电池的效率远远高于它们，这主要得益于钙钛矿材料的超长载流子自由程(Naturecommunications,2014,5.)。因此，钙钛矿太阳能电池兼具了无机太阳能电池高效率和有机太阳能电池低成本的优势，成为了最有发展潜力的太阳能电池技术。
然而，目前钙钛矿太阳能电池还面临着稳定性差的严峻挑战(Nature Energy,2016,1:15015.)。常规的三维钙钛矿材料具有很高的光电转化效率(公开号为105428542A，公开号为105244449A)，但是容易与空气中的水蒸气和氧气发生反应，从而导致钙钛矿的分解。也有报导通过在钙钛矿上引入疏水层来修饰界面从而提高钙钛矿的稳定性(Nature Energy,2016:15016.)，但疏水界面层在一定程度上影响了电荷的传输，降低了电池的转化率。近两年来，国际上报道了基于二维钙钛矿结构的新型太阳能电池，具有较高的稳定性，但缺点在于光电转化效率低(Journal of the American Chemical Society,2015,137(24):7843-7850.)。
发明内容
本发明就是鉴于上述以往技术中所存在的问题而提出来的，其目的在于提供一种高稳定性的钙钛矿型太阳能电池。
本发明所述的高稳定性钙钛矿太阳能电池，包括基底、透明电极、传输层一、钙钛矿层、传输层二以及背电极；钙钛矿层是在三维钙钛矿的基础上添加一层二维层状类钙钛矿，形成二维-三维复合钙钛矿层。
本发明所述的高稳定性钙钛矿太阳能电池，可通过在三维钙钛矿的基础上旋涂有机胺卤酸盐，通过原位离子反应生成二维层状类钙钛矿，形成二维-三维复合钙钛矿光敏层。
本发明所述的高稳定性钙钛矿太阳能电池，可通过在三维钙钛矿的基础上直接旋涂二维层状类钙钛矿溶液，形成二维-三维复合型钙钛矿层。
本发明所述的高稳定性钙钛矿太阳能电池，是三维钙钛矿薄膜和二维钙钛矿薄膜复合层作为光吸收层，该种薄膜比起三维钙钛矿薄膜具有更好的稳定性，该种薄膜比起二维钙钛矿薄膜应用于电池中具有更好的效率，实现了平面结构的高转化效率且稳定性好的钙钛矿太阳能电池。
附图说明
图1为实施例1所述的二维—三维复合型钙钛矿太阳能电池的器件结构图，其中，101为基底，102为透明电极，103为传输层一，104为钙钛矿层，105为传输层二，106为背电极。
图2为实施例1所述的一种二维—三维复合型钙钛矿吸收层的实现方式，其中，201为三维钙钛矿，202为有机胺卤酸盐。
图3为实施例2所述的另一种二维—三维复合型钙钛矿吸收层的实现方式，其中，301为三维钙钛矿，302为二维层状类钙钛矿。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。
实施例1
本实施例提供一种高稳定性钙钛矿太阳能电池，如图1所示，该电池的结构包括：基底101，透明电极102、传输层一103、二维-三维复合钙钛矿层104、传输层二105以及背电极106。其中，二维-三维复合钙钛矿层104的结构为在三维钙钛矿的基础上添加一层二维层状类钙钛矿，在不降低电池的光电转化率的前提下提高电池稳定性。该电池的具体制备步骤如下：
1、基底的清洗和臭氧处理：将基底用洗涤剂进行擦洗之后，再把基底依次置于去离子水、丙酮、异丙醇中，每次超声清洗10-15min，然后用氮气枪吹干，再将基底放入臭氧机中进行臭氧处理10-20min；
2、传输层一的旋涂：以PEDOT:PSS作为传输层一为例，在臭氧处理过后的衬底基片表面一层PEDOT:PSS，其中旋涂转速为4000-8000rpm，时间为60s，然后进行退火处理，控制退火温度为120-150℃，退火时间为10-20min，得到基片A；
3、三维钙钛矿前驱体溶液的配置：以CH3NH3PbI3为例，将CH3NH3I与PbI2按1：1的摩尔比溶解在DMF溶剂中，并在70℃下搅拌0.5h后，得到三维钙钛矿前驱体溶液；
4、三维钙钛矿前驱体溶液的旋涂：将基片A和三维钙钛矿前驱体溶液在75℃下预热10min，然后在基片A表面旋涂三维钙钛矿前驱体溶液，控制转速为1000-4000r/min，旋涂时间为45-60s，在旋涂过程中用600-900μl甲苯萃取，然后置于加热板上进行退火，在100℃下保温退火10-20min，待三维钙钛矿前驱体溶液完全结晶后，转移至玻璃培养皿中冷却，得到载有钙钛矿薄膜的基片B；
5、二维层状类钙钛矿层的旋涂：在基片B的上表面旋涂一层5-20mg/ml的有机胺卤酸盐，以环丙胺碘酸盐为例，控制旋涂速度为2000-3000rpm，旋涂时间为30-40s，在100℃下保温退火10-20min，环丙胺碘酸盐在三维钙钛矿基底上通过原位反应生成二维层状类钙钛矿(CAI)2PbI4，转移至玻璃培养皿中冷却，得到载有钙钛矿薄膜的基片B得到基片C；
6、传输层二的旋涂：以PCBM作为传输层2为例，在基片C的上表面旋涂PCBM，控制旋涂速度为2000-3000rpm，旋涂时间为40s，得到基片D；
7、背电极的制备：将基片D转移至热蒸镀系统，在真空度≥7.5×10-4Pa条件下蒸镀一层金属电极，以银电极为例，银电极的厚度为100-120nm，即得到钙钛矿太阳能电池。
实施例2
实施例2与实施例1除了步骤5不同外，其他步骤完全相同。在本实施例中，步骤5为：在基片B上旋涂浓度为10mg/ml-30mg/ml的环丙胺二维层状类钙钛矿层，旋涂速度为2000-4000rpm，旋涂时间为30-60s，并在100℃下保温退火10-20min。然后转移至玻璃培养皿中冷却，得到载有钙钛矿薄膜的基片B得到基片C。

Claims (3)

1.一种高稳定性钙钛矿太阳能电池，包括基底、透明电极、传输层一、钙钛矿层、传输层二以及背电极；其特征在于：钙钛矿层是在三维钙钛矿的基础上添加一层二维层状类钙钛矿，形成二维-三维复合钙钛矿层。
2.根据权利要求1所述的高稳定性钙钛矿太阳能电池，其特征在于：在三维钙钛矿的基础上旋涂有机胺卤酸盐，通过原位离子反应生成二维层状类钙钛矿，形成二维-三维复合钙钛矿光敏层。
3.根据权利要求1所述的高稳定性钙钛矿太阳能电池，其特征在于：在三维钙钛矿的基础上直接旋涂二维层状类钙钛矿溶液，形成二维-三维复合型钙钛矿层。
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