CN106098949B - 一种钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法 - Google Patents

一种钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其包括步骤：提供一玻璃衬底并在所述玻璃衬底上制备形成透明电极；在透明电极上制备形成电子传输层；所述电子传输层包括按照远离所述透明电极的方向依次设置的TiO2致密层和TiO2介孔层；在TiO2介孔层上应用喷涂工艺制备形成PVP界面修饰层；在PVP界面修饰层上制备形成钙钛矿吸光层；在钙钛矿吸光层上制备形成空穴传输层；在空穴传输层上应用喷涂工艺制备形成炭黑材料层；在炭黑材料层上制备形成金属电极。本发明的制备方法获得的钙钛矿薄膜太阳能电池中，PVP界面修饰层和炭黑材料层分别提升了对应电极对空穴‑电子对的收集能力，从而提高了钙钛矿电池的性能。

Description

一种钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域,尤其涉及一种钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法。
背景技术
有机无机杂化的钙钛矿太阳能电子因其具有可溶液化加工，制备过程能耗低和较高的器件效率引起大家的广泛关注。特别是器件的效率方面，单结的钙钛矿太阳能电池器件效率到目前已经超过了20％。随着器件效率的提升，器件的结构也在逐步演变，从与染料敏化电池结构类似的介孔结构，到具有致密电子传输层的平面异质结结构和反式平面异质结结构。
现在常规钙钛矿电池的结构主要包括依次叠层设置的玻璃衬底、透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层及金属电极。其中，钙钛矿吸光层吸光后激发产生空穴-电子对，透明电极通过电子传输层收集电子，金属电极则通过空穴传输层收集空穴，形成光电流。如果可以提升电极对空穴-电子对的收集能力，则可以增大器件输出的光电流，提高钙钛矿电池的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其制备得到的钙钛矿薄膜太阳能电池，提升了电极对空穴-电子对的收集能力，提高了钙钛矿电池的性能。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其包括步骤：提供一玻璃衬底并在所述玻璃衬底上制备形成透明电极；在所述透明电极上制备形成电子传输层；所述电子传输层包括按照远离所述透明电极的方向依次设置的TiO2致密层和TiO2介孔层；在所述TiO2介孔层上应用喷涂工艺制备形成PVP界面修饰层；在所述PVP界面修饰层上制备形成钙钛矿吸光层；在所述钙钛矿吸光层上制备形成空穴传输层；在所述空穴传输层上应用喷涂工艺制备形成炭黑材料层；在所述炭黑材料层上制备形成金属电极。
其中，所述TiO2致密层的厚度为80～100nm；首先将5～40mM的钛酸四异丙酯异丙醇溶液旋涂于所述透明电极上，然后再进行高温退火处理，获得所述TiO2致密层。
其中，所述TiO2介孔层的厚度为60～100nm；首先使用粒径为10～30nm的二氧化钛纳米颗粒浆料，采用旋涂或者丝网印刷在所述TiO2致密层上沉积一层二氧化钛纳米颗粒层，然后在400℃～550℃的温度下烧结10～60min，获得所述TiO2介孔层。
其中，形成PVP界面修饰层的工艺具体包括：将PVP溶解于异丙醇中，使得PVP的浓度为0.5～1.5mg/mL；将配置好的PVP的异丙醇溶液喷涂到所述TiO2介孔层上，获得所述PVP界面修饰层。
其中，所述PVP界面修饰层的厚度为10～20nm。
其中，形成钙钛矿吸光层的工艺具体包括：将甲胺碘材料和PbX2(X＝Cl、Br、I)材料一起溶于溶剂中，形成前驱体溶液，X为Cl、Br或I中的任意一种或两种以上；将所述前驱体溶液旋涂在所述PVP界面修饰层上成膜，然后在热板上退火获得所述钙钛矿吸光层。
其中，在热板上退火的温度为80～100℃，时间为30～80min；所述钙钛矿吸光层的厚度为300～500nm。
其中，形成空穴传输层的工艺具体包括：将空穴传输材料均匀分散于有机溶剂中，形成透明均匀的溶液，将该溶液通过旋涂法、提拉法或丝网印刷法涂覆在所述钙钛矿吸光层的表面，获得所述空穴传输层；所述空穴传输材料为有机材料或无机材料，所述有机材料选自Spiro-OMeTAD、P3HT、PCPDTBT、PEDOT:PSS、NPB和TPD中的任意一种，所述无机材料选自CuI、CuSCN、NiO、V2O5和MoO3中的任意一种。
其中，形成炭黑材料层的工艺具体包括：将炭黑溶解于异丙醇中，使得炭黑的浓度为10～12mg/mL；将配置好的炭黑的异丙醇溶液喷涂到所述空穴传输层上；然后在温度为120～150℃的条件下加热5～10min，获得所述炭黑材料层。
其中，所述炭黑材料层的厚度可以选择为80～100nm。
相比于现有技术，本发明实施例提供的制备方法所获得的钙钛矿薄膜太阳能电池，在电子传输层中设置有PVP界面修饰层，在空穴传输层上设置有炭黑材料层，PVP界面修饰层和炭黑材料层分别提升了对应电极对空穴-电子对的收集能力，从而提高了钙钛矿电池的性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的钙钛矿薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2是如图1的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本实施例提供了一种钙钛矿薄膜太阳能电池，如图1所示，所述钙钛矿薄膜太阳能电池包括依次设置的玻璃衬底1、透明电极2、电子传输层3、钙钛矿吸光层4、空穴传输层5以及金属电极6。
其中，所述电子传输层3包括按照远离所述透明电极2的方向依次设置的TiO2致密层31和TiO2介孔层32，所述TiO2介孔层32上还喷涂有PVP(聚乙烯吡咯烷酮，Polyvinylpyrrolidone)界面修饰层33。进一步地，所述空穴传输层5和所述金属电极6之间喷涂有炭黑材料层7。
具体地，所述透明电极2可以选择为FTO电极或ITO电极。
下面介绍如上所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，如图2所示，该方法包括步骤：
S1、提供一玻璃衬底并在所述玻璃衬底上制备形成透明电极。本实施例中透明电极选择为ITO电极。进一步地，用丙酮、乙醇、异丙醇依次超声50分钟清洗具有ITO电极的玻璃衬底，之后使用氮气将玻璃衬底吹干，再使用紫外光处理40分钟。
S2、在所述透明电极上制备形成电子传输层。其中，所述电子传输层包括按照远离所述透明电极的方向依次设置的TiO2致密层和TiO2介孔层。
具体地，所述TiO2致密层的厚度为80～100nm；首先将5～40mM的钛酸四异丙酯异丙醇溶液旋涂于所述透明电极上，然后再进行高温退火处理，获得所述TiO2致密层。
具体地，所述TiO2介孔层的厚度为60～100nm；首先使用粒径为10～30nm的二氧化钛纳米颗粒浆料，采用旋涂或者丝网印刷在所述TiO2致密层上沉积一层二氧化钛纳米颗粒层，然后在400℃～550℃的温度下烧结10～60min，获得所述TiO2介孔层。
S3、在所述电子传输层上应用喷涂工艺制备形成PVP界面修饰层。具体地，首先将PVP溶解于异丙醇中，使得PVP的浓度为0.5～1.5mg/mL；然后将配置好的PVP的异丙醇溶液喷涂到所述TiO2介孔层上，获得所述PVP界面修饰层。所述PVP界面修饰层的厚度可以选择为10～20nm。
S4、在所述PVP界面修饰层上制备形成钙钛矿吸光层。具体地，首先将甲胺碘材料和PbX2(X＝Cl、Br、I)等材料一起溶于溶剂中，形成前驱体溶液；然后使用前驱体溶液旋涂在所述PVP界面修饰层上成膜，再在热板上煺火形成钙钛矿薄膜。常用的是，合成浓度约40wt％的CH3NH3PbIxCl3-x(0<x<3)的DMF溶液，旋涂成膜后在80～100℃的温度下煺火30～80min，获得钙钛矿吸光层。所述钙钛矿吸光层的厚度可以选择为300～500nm。
S5、在所述钙钛矿吸光层上制备形成空穴传输层。具体地，所述空穴传输层的厚度可以选择为150～200nm。所述空穴传输层沉积于钙钛矿吸光层的表面，起传输空穴、阻挡电子的作用。所述空穴传输层选用具有高空穴迁移率的材料，可以选择有机材料，也可以选择无机材料，其中有机材料选自Spiro-OMeTAD、P3HT、PCPDTBT、PEDOT:PSS、NPB和TPD中的任意一种，无机材料选自CuI、CuSCN、NiO、V2O5和MoO3中的任意一种，优选Spiro-OMeTAD。空穴传输层制备方法为将空穴传输材料均匀分散于有机溶剂中，形成透明均匀的溶液，将该溶液通过旋涂法、提拉法或丝网印刷法涂覆在钙钛矿吸光层的表面，获得所述空穴传输层。
S6、在所述空穴传输层上应用喷涂工艺制备形成炭黑材料层。具体地，首先将炭黑溶解于异丙醇中，使得炭黑的浓度为10～12mg/mL；然后将配置好的炭黑的异丙醇溶液喷涂到所述空穴传输层上；最后在温度为120～150℃的条件下加热5～10min，获得所述炭黑材料层。所述炭黑材料层的厚度可选择为80～100nm。
S7、在所述炭黑材料层上制备形成金属电极。所述金属电极可以为金电极、银电极或铝电极，可以采用金属沉积工艺制备获得。
相比于现有技术，本发明实施例提供的制备方法所获得的钙钛矿薄膜太阳能电池，在电子传输层中设置有PVP界面修饰层，在空穴传输层上设置有炭黑材料层，PVP界面修饰层和炭黑材料层分别提升了对应电极对空穴-电子对的收集能力，从而提高了钙钛矿电池的性能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供一玻璃衬底并在所述玻璃衬底上制备形成透明电极；
在所述透明电极上制备形成电子传输层；所述电子传输层包括按照远离所述透明电极的方向依次设置的TiO2致密层和TiO2介孔层；
在所述TiO2介孔层上应用喷涂工艺制备形成PVP界面修饰层；
在所述PVP界面修饰层上制备形成钙钛矿吸光层；
在所述钙钛矿吸光层上制备形成空穴传输层；
在所述空穴传输层上应用喷涂工艺制备形成炭黑材料层；
在所述炭黑材料层上制备形成金属电极。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述TiO2致密层的厚度为80～100nm；首先将5～40mM的钛酸四异丙酯异丙醇溶液旋涂于所述透明电极上，然后再进行高温退火处理，获得所述TiO2致密层。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述TiO2介孔层的厚度为60～100nm；首先使用粒径为10～30nm的二氧化钛纳米颗粒浆料，采用旋涂或者丝网印刷在所述TiO2致密层上沉积一层二氧化钛纳米颗粒层，然后在400℃～550℃的温度下烧结10～60min，获得所述TiO2介孔层。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，形成PVP界面修饰层的工艺具体包括：将PVP溶解于异丙醇中，使得PVP的浓度为0.5～1.5mg/mL；将配置好的PVP的异丙醇溶液喷涂到所述TiO2介孔层上，获得所述PVP界面修饰层。
5.根据权利要求4所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述PVP界面修饰层的厚度为10～20nm。
6.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，形成钙钛矿吸光层的工艺具体包括：
将甲胺碘材料和PbX2材料一起溶于溶剂中，形成前驱体溶液，X为Cl、Br或I中的任意一种或两种以上；
将所述前驱体溶液旋涂在所述PVP界面修饰层上成膜，然后在热板上退火获得所述钙钛矿吸光层。
7.根据权利要求6所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，在热板上退火的温度为80～100℃，时间为30～80min；所述钙钛矿吸光层的厚度为300～500nm。
8.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，形成空穴传输层的工艺具体包括：将空穴传输材料均匀分散于有机溶剂中，形成透明均匀的溶液，将该溶液通过旋涂法、提拉法或丝网印刷法涂覆在所述钙钛矿吸光层的表面，获得所述空穴传输层；所述空穴传输材料为有机材料或无机材料，所述有机材料选自Spiro-OMeTAD、P3HT、PCPDTBT、PEDOT:PSS、NPB和TPD中的任意一种，所述无机材料选自CuI、CuSCN、NiO、V2O5和MoO3中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，形成炭黑材料层的工艺具体包括：将炭黑溶解于异丙醇中，使得炭黑的浓度为10～12mg/mL；将配置好的炭黑的异丙醇溶液喷涂到所述空穴传输层上；然后在温度为120～150℃的条件下加热5～10min，获得所述炭黑材料层。
10.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述炭黑材料层的厚度可以选择为80～100nm。
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