CN105826477A - 一种高性能钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种高性能钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能钙钛矿太阳能电池，包括衬底、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和对电极，其中所述界面修饰层采用的修饰材料为铯盐，所述钙钛矿光吸收层采用气相辅助溶液法制备。本发明还公开了该高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法。该太阳能电池光电转换效率高，稳定性好，且制备方法简单，成本低，能够进行规模化生产。

Description

一种高性能钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及电池技术领域，具体的涉及一种高性能钙钛矿太阳能电池。
背景技术：
随着人类对能源需求的大幅增长和化石能源造成的严重环境污染，以及化石能源的不断枯竭，能源问题已成为全人类面临的问题。太阳能是一种清洁、安全且取之不尽的能源，有效利用太阳能对缓解能源危机和保护环境，推动经济发展具有重要意义。
钙钛矿型太阳能电池以其低成本、制备工艺简单等优点受到全世界科学研究者的广泛关注，成为最具潜力的可再生能源之一。但是钙钛矿薄膜太阳能电池由于其薄膜厚度、材料特性以及制备工艺的限制，其厚度通常在几百纳米左右，在一定程度上制约了其对可见光的吸收，影响其电流密度的提高。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高性能钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池的钙钛矿光吸收层晶界少、表面粗糙度小，质量高，制得的太阳能电池光电转换效率高，稳定性好。
本发明的另一个目的是提供该高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高性能钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池包括衬底、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和对电极，其中所述界面修饰层采用的修饰材料为铯盐，所述钙钛矿光吸收层采用气相辅助溶液法制备。
一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声FTO衬底10-15min，然后烘干待用；
(2)将(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯旋涂到干净的FTO衬底上，得到电子传输层；
(3)在电子传输层上旋涂铯盐溶液，旋涂的转速为1000-3000rpm，然后在50-60℃下加热10-20min，得到界面修饰层；
(4)将PbX2前驱体溶液旋涂在界面修饰层上，然后在70-100℃下加热10-25min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为150-170℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbX2薄膜反应50-120min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在150-170℃下干燥15-30min，得到钙钛矿光吸收层；
(5)将空穴传输材料旋涂到钙钛矿光吸收层上，旋涂的速度为3000-4000rpm，得到空穴传输层；
(6)在真空条件下，在空穴传输层上蒸镀金属材料作为对电极，获得高性能太阳能电池。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述电子传输层的厚度为30-50nm。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述铯盐溶液中的铯盐选自下列中的一种或多种：碳酸铯、醋酸铯、碘化铯或氯化铯，溶剂为醇类试剂。
作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述PbX2前驱体溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、γ-丁内酯、N,N-二甲基乙酰胺中的一种，所述PbX2前驱体溶液中PbX2的浓度为400-500mg/mL。
作为上述技术方案的优选，步骤(5)中，所述空穴传输层材料为P3HT、PCPDTBT、PCDTBT、PTAA、TPD、PDI、PCBM中的一种。
作为上述技术方案的优选，步骤(6)中，所述金属材料为Au、Ag中的一种。
作为上述技术方案的优选，步骤(6)中，所述对电极的厚度为60-100nm。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用气相辅助溶液法制备钙钛矿光吸收层，并合理控制工艺条件，制得的钙钛矿薄膜无针孔、晶粒大、晶界少、表面粗糙度小，同时对钙钛矿层和电子传输层的界面采用铯盐修饰，大大提高了电子和空穴的传输速率，提高了钙钛矿光吸收层的质量，制得的太阳能电池光电转换效率高，稳定性好。
具体实施方式：
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声FTO衬底10min，然后烘干待用；
(2)将(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯旋涂到干净的FTO衬底上，得到厚度为30nm的电子传输层；
(3)在电子传输层上旋涂碳酸铯溶液，旋涂的转速为1000rpm，然后在50-60℃下加热10min，得到界面修饰层；
(4)将浓度为400mg/mL的PbI2的N,N-二甲基甲酰胺溶液旋涂在界面修饰层上，然后在70℃下加热10min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为150℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbI2薄膜反应50min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在150℃下干燥15min，得到钙钛矿光吸收层；
(5)将P3HT溶液旋涂到钙钛矿光吸收层上，旋涂的速度为3000rpm，得到空穴传输层；
(6)在真空条件下，在空穴传输层上蒸镀60nm厚的金电极，获得高性能太阳能电池。
实施例2
一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声FTO衬底15min，然后烘干待用；
(2)将(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯旋涂到干净的FTO衬底上，得到厚度为50nm的电子传输层；
(3)在电子传输层上旋涂醋酸铯溶液，旋涂的转速为3000rpm，然后在50-60℃下加热20min，得到界面修饰层；
(4)将浓度为500mg/mL的PbI2的二甲基亚砜溶液旋涂在界面修饰层上，然后在100℃下加热25min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为170℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbI2薄膜反应120min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在170℃下干燥30min，得到钙钛矿光吸收层；
(5)将PCBM溶液旋涂到钙钛矿光吸收层上，旋涂的速度为4000rpm，得到空穴传输层；
(6)在真空条件下，在空穴传输层上蒸镀100nm厚的银电极，获得高性能太阳能电池。
实施例3
一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声FTO衬底11min，然后烘干待用；
(2)将(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯旋涂到干净的FTO衬底上，得到厚度为35nm的电子传输层；
(3)在电子传输层上旋涂醋酸铯溶液，旋涂的转速为1500rpm，然后在50-60℃下加热12min，得到界面修饰层；
(4)将浓度为420mg/mL的PbBr2的N,N-二甲基甲酰胺溶液旋涂在界面修饰层上，然后在80℃下加热15min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为155℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbBr2薄膜反应70min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在155℃下干燥20min，得到钙钛矿光吸收层；
(5)将PCPDTBT溶液旋涂到钙钛矿光吸收层上，旋涂的速度为3500rpm，得到空穴传输层；
(6)在真空条件下，在空穴传输层上蒸镀70nm厚的金电极，获得高性能太阳能电池。
实施例4
一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声FTO衬底12min，然后烘干待用；
(2)将(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯旋涂到干净的FTO衬底上，得到厚度为40nm的电子传输层；
(3)在电子传输层上旋涂碘化铯溶液，旋涂的转速为2000rpm，然后在50-60℃下加热14min，得到界面修饰层；
(4)将浓度为440mg/mL的PbBr2的二甲基亚砜溶液旋涂在界面修饰层上，然后在85℃下加热20min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为160℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbBr2薄膜反应80min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在160℃下干燥25min，得到钙钛矿光吸收层；
(5)将PCDTBT溶液旋涂到钙钛矿光吸收层上，旋涂的速度为3000pm，得到空穴传输层；
(6)在真空条件下，在空穴传输层上蒸镀80nm厚的银电极，获得高性能太阳能电池。
实施例5
一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声FTO衬底13min，然后烘干待用；
(2)将(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯旋涂到干净的FTO衬底上，得到厚度为45nm的电子传输层；
(3)在电子传输层上旋涂碘化铯溶液，旋涂的转速为2500rpm，然后在50-60℃下加热16min，得到界面修饰层；
(4)将浓度为460mg/mL的PbBr2的γ-丁内酯溶液旋涂在界面修饰层上，然后在90℃下加热25min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为165℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbBr2薄膜反应90min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在165℃下干燥25min，得到钙钛矿光吸收层；
(5)将PTAA溶液旋涂到钙钛矿光吸收层上，旋涂的速度为3500rpm，得到空穴传输层；
(6)在真空条件下，在空穴传输层上蒸镀90nm厚的金电极，获得高性能太阳能电池。
实施例6
一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声FTO衬底14min，然后烘干待用；
(2)将(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯旋涂到干净的FTO衬底上，得到厚度为50nm的电子传输层；
(3)在电子传输层上旋涂氯化铯溶液，旋涂的转速为3000pm，然后在50-60℃下加热18min，得到界面修饰层；
(4)将浓度为480mg/mL的PbCl2的N,N-二甲基乙酰胺溶液旋涂在界面修饰层上，然后在95℃下加热25min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为170℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbCl2薄膜反应110min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在170℃下干燥30min，得到钙钛矿光吸收层；
(5)将TPD溶液旋涂到钙钛矿光吸收层上，旋涂的速度为4000rpm，得到空穴传输层；
(6)在真空条件下，在空穴传输层上蒸镀95nm厚的银电极，获得高性能太阳能电池。

Claims (8)

1.一种高性能钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池包括衬底、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和对电极，其中所述界面修饰层采用的修饰材料为铯盐，所述钙钛矿光吸收层采用气相辅助溶液法制备。
2.如权利要求1所述的一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声FTO衬底10-15min，然后烘干待用；
(2)将(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯旋涂到干净的FTO衬底上，得到电子传输层；
(3)在电子传输层上旋涂铯盐溶液，旋涂的转速为1000-3000rpm，然后在50-60℃下加热10-20min，得到界面修饰层；
(4)将PbX2前驱体溶液旋涂在界面修饰层上，然后在70-100℃下加热10-25min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为150-170℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbX2薄膜反应50-120min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在150-170℃下干燥15-30min，得到钙钛矿光吸收层；
(5)将空穴传输材料旋涂到钙钛矿光吸收层上，旋涂的速度为3000-4000rpm，得到空穴传输层；
(6)在真空条件下，在空穴传输层上蒸镀金属材料作为对电极，获得高性能太阳能电池。
3.如权利要求2述的一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述电子传输层的厚度为30-50nm。
4.如权利要求2所述的一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述铯盐溶液中的铯盐选自下列中的一种或多种：碳酸铯、醋酸铯、碘化铯或氯化铯，溶剂为醇类试剂。
5.如权利要求2所述的一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述PbX2前驱体溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、γ-丁内酯、N,N-二甲基乙酰胺中的一种，所述PbX2前驱体溶液中PbX2的浓度为400-500mg/mL。
6.如权利要求2所述的一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述空穴传输层材料为P3HT、PCPDTBT、PCDTBT、PTAA、TPD、PDI、PCBM中的一种。
7.如权利要求2所述的一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，所述金属材料为Au、Ag中的一种。
8.如权利要求2所述的一种高性能钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，所述对电极的厚度为60-100nm。
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