CN106024929A - 一种基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池及其制备方法，正置电池结构依次包括顶电极、电子收集层、光吸收层、空穴收集层及衬底，或反型电池结构依次包括顶电极、空穴收集层、光吸收层、电子收集层及衬底；所述光吸收层的材料为变形钙钛矿结构的Cs2SnI6。其制备步骤为首先，以衬底作为窗口层，并在衬底上进行电极刻蚀；其次，在衬底上制备电子传输层；第三，在电子传输层上制备变形钙钛矿结构的Cs2SnI6薄膜；第四，在Cs2SnI6薄膜上制备空穴传输层；最后，在空穴传输材料上制备电极；其中，第三步骤，通过气相合成法直接在电子传输层上制备Cs2SnI6薄膜；或通过液相沉积法合成Cs2SnI6，然后通过旋涂方法将Cs2SnI6在电子传输层上制备成Cs2SnI6薄膜。

Description

一种基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于具有无铅变形钙钛矿结构光吸收材料的太阳能电池及其制备方法，属于光电器件中的太阳能技术领域。
背景技术
钙钛矿太阳能电池是一种全新的全固态薄膜电池。报道的能量转换效率已超过20％，成为可再生能源领域的热点研究方向。现在的有机金属卤化物钙钛矿材料(如CH3NH3PbI3)含有铅元素，由于钙钛矿中的铅可能会漏出，污染屋顶和土壤，在国际许多地方(如欧盟)已被列为禁止使用的材料。因此通过金属元素替代的方法找到同等或更高转换效率的无铅钙钛矿材料显得尤其重要。
CsSnI3钙钛矿晶体在室温下可以独立存在两种相，Yellow相和Black-γ相，并且在加热、空气中或有机溶剂中能够相互转化，因而研究者对他们各自的光学及电学性质进行了研究，并有报道可用于太阳能电池。但是该种材料中Sn为+2价，在空气中极不稳定，不适合用作室外应用的太阳能电池。
因此，研发环保绿色且稳定的无铅钙钛矿电池具有重要的意义与应用价值。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池，包括光吸收层，所述光吸收层的材料为变形钙钛矿结构的Cs2SnI6。
本发明首次将变形钙钛矿结构的Cs2SnI6用于制备太阳能电池的光吸收层，并成功制备出太阳能电池，该太阳能电池不含有铅等污染屋顶和土壤的元素，更加环保；同时Cs2SnI6更稳定，其制备的太阳能电池更加适合于室外。
优选的，所述光吸收层为厚度为200-800nm的薄膜。
优选的，电池正置结构依次包括顶电极、电子收集层、光吸收层、空穴收集层及衬底。
优选的，电池反型结构依次包括顶电极、空穴收集层、光吸收层、电子收集层及衬底。
进一步优选的，所述顶电极的材料为金属材料或导电炭材料，所述金属材料优选为Ag或Au。
进一步优选的，所述电子收集层的材料为无机n型半导体材料或有机电子传输材料，所述电子收集层的厚度为30-300nm。
更进一步优选的，所述无机n型半导体材料为ZnO、TiO2或SnO2；所述有机电子传输材料为P3HT。
进一步优选的，所述空穴收集层的材料为无机p型半导体材料或有机空穴传输材料，所述空穴收集层的厚度为30-300nm。
更进一步优选的，所述无机p型半导体材料为Cu2O、NiO、CuI；所述有机空穴传输材料为PEDOT。
进一步优选的，所述衬底的材料为以FTO导电玻璃或ITO导电玻璃，方阻为10-50Ω/□。
一种基于无铅变形钙钛矿结构的反型太阳能电池的制备方法，首先，以衬底作为窗口层，并在衬底上进行电极刻蚀；其次，在衬底上制备电子传输层；第三，在电子传输层上制备变形钙钛矿结构的Cs2SnI6薄膜；第四，在Cs2SnI6薄膜上制备空穴传输层；最后，在空穴传输材料上制备电极；其中，第三步骤，通过气相合成法直接在电子传输层上制备Cs2SnI6薄膜；或通过液相沉积法合成Cs2SnI6，然后通过旋涂方法将Cs2SnI6在电子传输层上制备成Cs2SnI6薄膜。
一种基于无铅变形钙钛矿结构的正置太阳能电池的制备方法，首先，以衬底作为窗口层，并在衬底上进行电极刻蚀；其次，在衬底上制备空穴传输层；第三，在空穴传输层上制备变形钙钛矿结构的Cs2SnI6薄膜；第四，在Cs2SnI6薄膜上制备电子传输层；最后，在电子传输材料上制备电极；其中，第三步骤，通过气相合成法直接在空穴传输层上制备Cs2SnI6薄膜；或通过液相沉积法合成Cs2SnI6，然后通过旋涂方法将Cs2SnI6在空穴传输层上制备成Cs2SnI6薄膜。
优选的，所述衬底的材料为以FTO导电玻璃或ITO导电玻璃，方阻为10-50Ω/□。
优选的，气相合成法制备Cs2SnI6薄膜的具体步骤为：先通过真空热蒸发沉积在电子传输层或空穴传输层上分步制备CsI和SnI2薄膜，然后在快速退火炉中氮气气氛中退火，得黑色B-γ-CsSnI3钙钛矿薄膜，在空气中放置氧化后得Cs2SnI6薄膜。
进一步优选的，所述真空热蒸发沉积的条件为：极限真空度为(1-10)×10-5Pa，衬底温度为25～200℃，蒸发速率为
进一步优选的，所述退火条件为：温度为190-330℃，退火时间为1800s。
进一步优选的，空气中放置氧化时间为12-24小时，直至得到Cs2SnI6。
优选的，所述液相沉积法的步骤为：按比例将HI、H3PO2和去离子水混合搅拌，然后加入SnI2并加热，再加入CsI，反应至溶液呈亮黄色，加入丙酮，冷却后，在保护气氛下生长一定时间后，洗涤干燥即得黑色光泽的Cs2SnI6粉末。
进一步优选的，按比例将HI、H3PO2和去离子水混合搅拌，然后加入SnI2并加热，SnI2溶解后加入CsI，温度升至115-125℃并保持恒定，反应至溶液呈亮黄色，2-3min后加入丙酮，加完丙酮后5-6min停止搅拌，冷却至室温，在氮气气氛下生长24-30小时后，用无水乙醇清洗，干燥后，即可得到黑色光泽的Cs2SnI6粉末。
更进一步优选的，HI、H3PO2、去离子水、SnI2、CsI、丙酮的比例为6.5-7:1.5-2:0.3-0.5:370-350:255-265:9-11，mL：mL：mL：mg：mg：mL。
优选的，所述旋涂方法为采用旋涂仪将Cs2SnI6溶液旋涂至电子传输层或空穴传输层上制备成Cs2SnI6薄膜。
进一步优选的，所述Cs2SnI6溶液为Cs2SnI6粉末溶解于二甲基甲酰胺(DMF)中所得，其中Cs2SnI6粉末与DMF的比为0.4-0.6:1，g：mL。
进一步优选的，旋涂条件为：转速3000r/min，时间为20s。
本发明的有益效果为：
本发明采用变形钙钛矿结构的Cs2SnI6作为太阳能电池的光吸收层，成功制备了基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池，该太阳能电池采用变形钙钛矿结构的Cs2SnI6，不含铅元素等污染环境的元素，因而在环保性能方面具有明显优势，由于Cs2SnI6中的Sn为+4价，稳定性良好，其制备的电池更适合用作室外应用的太阳能电池。
本发明变形钙钛矿结构的Cs2SnI6作为太阳能电池的制备工艺重复性好，利于工业化推广。
附图说明
图1为实施例1制备的太阳能电池的结构示意图；
图2为实施例2制备的太阳能电池的结构示意图；
图3为气相法制备Cs2SnI6薄膜示意图；
图4为实施例1Cs2SnI6薄膜的XRD图谱；
图5为实施例1太阳能电池结断面的扫描电镜图；
图6为实施例1太阳能电池的J-V曲线；
其中：1.玻璃，2.FTO，3.TiO2电子传输层，4.无铅钙钛矿Cs2SnI6光吸收层，5.NiO空穴传输层，6.银电极。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)以FTO玻璃(方阻为20Ω/□)为衬底首先用稀盐酸和锌粉将FTO玻璃上的FTO刻蚀0.5cm宽。然后将刻蚀后的衬底用氢氧化钾的异丙醇饱和溶液超声清洗120min，取出用乙醇冲洗干净。再用含有乙醇、异丙醇、丙酮体积比为1:1:1的混合溶液超声清洗40min，乙醇溶液清洗40min，最后烘干备用。
(2)将清洗干净的FTO玻璃浸入0.2M的TiCl4溶液中，70℃生长60min，以制备TiO2致密阻挡层，生长结束后取出烘干30min。
(3)采用气相法制备Cs2SnI6薄膜，其制备步骤如图3所示，先通过真空热蒸发沉积在FTO玻璃上分步制备CsI和SnI2薄膜，制备条件为极限真空度为5×10-5Pa，衬底温度为30℃，蒸发速率为随后将其在快速退火炉中氮气气氛中退火，温度为230℃，时间为1800s，得黑色B-γ-CsSnI3钙钛矿薄膜，在空气中放置24小时得到Cs2SnI6薄膜，得到的Cs2SnI6薄膜的XRD图谱如图4所示。
(4)采用低压脉冲激光沉积法(PLD)法在Cs2SnI6薄膜上生长厚度200nm NiO薄膜：真空条件0.01Pa，生长温度设定为50℃，保温30min，激光能量为2.0mJ/cm2，频率为5Hz。
(5)最后采用热蒸发真空镀膜仪制备厚度70nm左右银电极。
上述方法制备的于无铅变形钙钛矿结构的反型太阳能电池的具体结构，如图1所示，依次包括银电极6、NiO空穴收集层5、无铅钙钛矿Cs2SnI6光吸收层4、TiO2电子收集层3、FTO2及玻璃1，太阳能电池断面的扫描电镜图如图5所示。
检测该电池的J-V曲线如图6所示，图6表明该电池光电转换效率可达1％。
该电池与铅系电池相比，在材料环保性能方面具有明显优势，且稳定；制备工艺重复性好，利于工业化推广。
实施例2
(1)以FTO玻璃为衬底首先用稀盐酸和锌粉将FTO玻璃上的FTO刻蚀0.5cm宽。然后将刻蚀后的衬底用氢氧化钾的异丙醇饱和溶液超声清洗120min，取出用乙醇冲洗干净。再用含有乙醇、异丙醇、丙酮体积比为1:1:1的混合溶液超声清洗40min，乙醇溶液清洗40min，最后烘干备用。
(2)采用低压脉冲激光沉积法(PLD)法在FTO玻璃上生长厚度300nm NiO薄膜：真空条件0.05Pa，生长温度设定为50℃，保温30min，激光能量为2.0mJ/cm2，频率为5Hz。
(3)采用气相法制备Cs2SnI6薄膜，其制备步骤如图3所示，先通过真空热蒸发沉积在FTO玻璃上分步制备CsI和SnI2薄膜，制备条件为极限真空度为1×10-5Pa，衬底温度为100℃，蒸发速率为随后将其在快速退火炉中氮气气氛中退火，温度为130℃，时间为1600s，得黑色B-γ-CsSnI3钙钛矿薄膜，在空气中放置24小时得到Cs2SnI6薄膜。
(4)将步骤(3)获得的带有Cs2SnI6薄膜的FTO玻璃浸入0.2M的TiCl4溶液中，70℃生长60min，以制备TiO2致密阻挡层，生长结束后取出烘干30min。
(5)最后采用热蒸发真空镀膜仪制备厚度70nm左右银电极。
上述方法制备的于无铅变形钙钛矿结构的正置太阳能电池的具体结构，如图2所示，依次包括银电极6、TiO2电子收集层3、无铅钙钛矿Cs2SnI6光吸收层4、NiO空穴收集层5、FTO2及玻璃1。
实施例3
本实施例与实施例1相同，不同之处在于，步骤(3)采用液相法制备Cs2SnI6颗粒，然后以液相制备的Cs2SnI6溶液为前驱体，旋涂方法制备Cs2SnI6薄膜，其步骤为：在四口烧瓶中加入6.8ml HI、1.7ml H3PO2和0.4ml去离子水，搅拌。将372mg SnI2加到四口烧瓶中，设定恒温加热磁力搅拌器温度为120℃，开始加热。待SnI2溶解后将260mg CsI加到四口烧瓶中，使温度提升到120℃并保持恒定。待溶质完全溶解后形成亮黄色溶液，2min后加入10ml丙酮。5min后停止搅拌，冷却到室温。氮气环境下，原溶液中生长24h，生长完毕后用无水乙醇清洗，干燥后，即可得到黑色光泽的Cs2SnI6粉末。将Cs2SnI6粉末溶解于二甲基甲酰胺(DMF)中，0.5g粉末溶解于1ml DMF中，磁力搅拌至完全溶解，作旋涂液用。旋涂薄膜制备条件为：转速3000r/min，时间为20s。
实施例4
本实施例与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)采用PLD法制备氧化锌层，其步骤为：采用氧化锌靶材，真空条件0.1Pa，生长温度设定为150℃，保温10min，激光能量为2.0mJ/cm2，频率为10Hz。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池，其特征是，包括光吸收层，所述光吸收层的材料为变形钙钛矿结构的Cs2SnI6。
2.如权利要求1所述的一种基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池，其特征是，正置电池结构依次包括顶电极、电子收集层、光吸收层、空穴收集层及衬底；
或，反型电池结构依次包括顶电极、空穴收集层、光吸收层、电子收集层及衬底。
3.如权利要求2所述的一种基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池，其特征是，所述顶电极的材料为金属材料或导电炭材料，所述金属材料优选为Ag或Au。
4.如权利要求2所述的一种基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池，其特征是，所述电子收集层的材料为无机n型半导体材料或有机电子传输材料，所述电子收集层的厚度为30-300nm。
5.如权利要求2所述的一种基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池，其特征是，所述空穴收集层的材料为无机p型半导体材料或有机空穴传输材料，所述空穴收集层的厚度为30-300nm。
6.如权利要求2所述的一种基于无铅变形钙钛矿结构的太阳能电池，其特征是，所述衬底的材料为以FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。
7.一种基于无铅变形钙钛矿结构的反型太阳能电池的制备方法，其特征是，首先，以衬底作为窗口层，并在衬底上进行电极刻蚀；其次，在衬底上制备电子传输层；第三，在电子传输层上制备变形钙钛矿结构的Cs2SnI6薄膜；第四，在Cs2SnI6薄膜上制备空穴传输层；最后，在空穴传输材料上制备电极；其中，第三步骤为：通过气相合成法直接在电子传输层上制备Cs2SnI6薄膜；或通过液相沉积法合成Cs2SnI6，然后通过旋涂方法将Cs2SnI6在电子传输层上制备成Cs2SnI6薄膜。
8.一种基于无铅变形钙钛矿结构的正置太阳能电池的制备方法，其特征是，首先，以衬底作为窗口层，并在衬底上进行电极刻蚀；其次，在衬底上制备空穴传输层；第三，在空穴传输层上制备变形钙钛矿结构的Cs2SnI6薄膜；第四，在Cs2SnI6薄膜上制备电子传输层；最后，在电子传输材料上制备电极；其中，第三步骤为：通过气相合成法直接在空穴传输层上制备Cs2SnI6薄膜；或通过液相沉积法合成Cs2SnI6，然后通过旋涂方法将Cs2SnI6在空穴传输层上制备成Cs2SnI6薄膜。
9.如权利要求7或8所述的制备方法，其特征是，气相合成法制备Cs2SnI6薄膜的具体步骤为：先通过真空热蒸发沉积在电子传输层或空穴传输层上分步制备CsI和SnI2薄膜，然后在快速退火炉中氮气气氛中退火，得黑色B-γ-CsSnI3钙钛矿薄膜，在空气中放置氧化后得Cs2SnI6薄膜。
10.如权利要求7或8所述的制备方法，其特征是，所述液相沉积法的步骤为：按比例将HI、H3PO2和去离子水混合搅拌，然后加入SnI2并加热，再加入CsI，反应至溶液呈亮黄色，加入丙酮，冷却后，在保护气氛下生长一定时间后，洗涤干燥即得黑色光泽的Cs2SnI6粉末；
所述旋涂方法为采用旋涂仪将Cs2SnI6溶液旋涂至电子传输层或空穴传输层上制备成Cs2SnI6薄膜。
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