CN106129256A - 一种以黑磷为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种黑磷为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，在黑磷空穴传输层上依次为钙钛矿结构吸光层、电子传输层和透明导电电极，正电极制备在黑磷空穴传输层的背面。黑磷空穴传输层比有机物作为空穴传输层具有更优异的化学稳定性和较低的成本，且提高太阳能电池的输出功率和光电转换效率，进一步的在黑磷空穴传输层中掺杂二硫化钛，二硫化钛分子可以容易的嵌套在黑磷晶体的缺陷位置，由此能够减少黑磷空穴传输层的晶体缺陷，进一步提高光电转换效率。

Description

一种以黑磷为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种以黑磷为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着传统能源的消耗，能源危机及环境问题已经成为当前世界面临的严重问题，绿色、安全、取之不尽的太阳能使光伏发电成为解决人类能源危机与环境污染的理想方案。高的光电转换效率和低的制造成本是能普及推广光伏发电的前提条件。因此，兼具高效率和低成本的太阳能电池是人们在能源领域不断追求的目标。
在现在太阳能实际应用中，硅光电池以其成熟的工艺，较高的光电转化效率在各类光伏器件中占主导地位。但其昂贵的价格限制了硅电池的广泛应用。目前，商用太阳能电池市场上占主导地位的硅太阳能电池仍不能满足低成本的要求。而2009年出现的以具有钙钛矿晶体结构的有机金属卤化物为吸光层的太阳能电池（简称钙钛矿太阳能电池）近年来快速发展，2013年其实验室光电转换效率已达到15%，并有望在未来几年突破20%，其高效率，低成本的特点使其成为最具市场潜力的新型太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池由透明导电电极、电子传输层、钙钛矿结构吸光层、空穴传输层和正电极组成。目前广泛使用的空穴传输层是大分子有机物，而其成本高，稳定性差，从而限制了钙钛矿电池长期使用的要求。因此，采用稳定性较好的无机物作为钙钛矿太阳能电池的空穴传输层对于推进钙钛矿太阳能电池的实际应用具有很大的意义。
黑磷是一种直接带隙材料，并且能量带隙是可控的。黑磷材料的光电学特性与其层数或厚度有着密切关联，此外，黑磷还具有高载流子迁移率(～1000cm2/Vs)和开关比(>105)，以及可调谐直接带隙(0.3—2eV)等优异性能，弥补了石墨烯的零带隙、过渡金属硫族化物(TMDs)载流子迁移率过低的性能缺陷。实验证明，黑磷材料具有超快的载流子恢复时间(见文献Y.W.Wang,et al.Ultrafast recovery time and broadband saturableabsorption properties of black phosphorus suspension.Applied Physics Letters,vol.107,2015)，从可见光到中红外光波段，其损伤阈值较高，且多原子层黑磷材料相对容易制备得到。
发明内容
本发明的目的是提供一种以黑磷作为钙钛矿太阳能电池空穴传输层的设计方案。
本发明的设计方案在于该太阳能电池的吸光层与正电极之间的空穴传输层为黑磷。该钙钛矿太阳能电池包括：透明导电电极、电子传输层、钙钛矿结构吸光层、黑磷空穴传输层和正电极。
所述的钙钛矿太阳能电池的结构为：在黑磷空穴传输层4上依次为钙钛矿结构吸光层3、电子传输层2和透明导电电极1，正电极5制备在黑磷空穴传输层4的背面；
所述的黑磷空穴传输层4的厚度为1nm-300nm。
所述的黑磷空穴传输层中掺杂有二硫化钛（TiS2）。
以黑磷为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法；具体如下：首先，在透明导电电极1上采用水热法或原子层沉积或旋涂工艺制备电子传输层2；接着采用旋涂工艺制备钙钛矿结构吸光层3；然后采用旋涂方法制备黑磷空穴传输层4；最后在黑磷空穴传输层4背面沉积正电极完成太阳能电池的制备；
本发明的优点在于：黑磷空穴传输层比有机物作为空穴传输层具有更优异的化学稳定性和较低的成本，且提高太阳能电池的输出功率和光电转换效率，进一步的在黑磷空穴传输层中掺杂二硫化钛，二硫化钛分子可以容易的嵌套在黑磷晶体的缺陷位置，由此能够减少黑磷空穴传输层的晶体缺陷，进一步提高光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的以黑磷为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
钙钛矿太阳能电池结构为：透明导电电极和依次层叠于该电极上的电子传输层、钙钛矿结构吸光层、黑磷纳米颗粒空穴传输层和正电极。 其中，透明导电电极为铟锡氧化物，电子传输层为ＺｎＯ，钙钛矿结构吸光层为ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３层，正电极为金电极层或银电极层。
实施例2：
钙钛矿太阳能电池结构的制造方法为：步骤1，通过常规沉积、溅射或者旋涂法在透明导电电极上依次形成电子传输层、钙钛矿结构吸光层；步骤2，在隔绝空气的情况下，取黑磷进行研磨，并将研磨后的黑磷分散在有机溶剂中（有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、丙酮、四氢呋喃、无水乙醇、甲醇、异丙醇、三氯甲烷和二氯甲烷中的一种或多种），得到浓度为0.6～1.2mg/mL的分散液；将所述分散液先在功率为1000～1400W下进行探针式超声2～4小时，然后在功率为200～400W下进行水浴超声8～12小时；超声完毕后，离心，收集上清液； 步骤3，将收集的上清液与聚酰亚胺以1:1的比例混合，之后将混合物涂布于钙钛矿结构吸光层上，并在200-400摄氏度的条件下烘烤30~50分钟，形成黑磷空穴传输层；步骤4，通过常规溅射方法在黑磷空穴传输层上形成金正电极。
实施例3：
钙钛矿太阳能电池结构的制造方法为：步骤1，通过常规沉积、溅射或者旋涂法在透明导电电极上依次形成电子传输层、钙钛矿结构吸光层；步骤2，在隔绝空气的情况下，取黑磷进行研磨，并将研磨后的黑磷分散在有机溶剂中（有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、丙酮、四氢呋喃、无水乙醇、甲醇、异丙醇、三氯甲烷和二氯甲烷中的一种或多种），得到浓度为0.6～1.2mg/mL的分散液；将所述分散液先在功率为1000～1400W下进行探针式超声2～4小时，然后在功率为200～400W下进行水浴超声8～12小时；超声完毕后，离心，收集上清液； 步骤3，在上清液中加入二硫化钛粉末并搅拌形成混合溶液，黑磷与二硫化钛的质量100：5~100：15；步骤4，将形成混合溶液与聚酰亚胺以1:1的比例混合，之后将混合物涂布于钙钛矿结构吸光层上，并在200-300摄氏度的条件下烘烤30分钟，形成二硫化钛掺杂的黑磷空穴传输层；步骤5，通过常规溅射方法在掺杂的黑磷空穴传输层上形成金正电极。

Claims (5)

1.一种以黑磷为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，包括：透明导电电极（1）、电子传输层（2）、钙钛矿结构吸光层（3）、黑磷空穴传输层（4）和正电极（5），其特征在于：
在黑磷空穴传输层（4）上依次为钙钛矿结构吸光层（3）、电子传输层（2）和透明导电电极（1），正电极（5）制备在黑磷空穴传输层（4）的背面。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于， 所述的黑磷空穴传输层（4）的厚度为1nm-300nm。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，黑磷空穴传输层中掺杂有二硫化钛。
4.一种黑磷为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：
步骤1，通过常规沉积、溅射或者旋涂法在透明导电电极是依次形成电子传输层、钙钛矿结构吸光层；
步骤2，在隔绝空气的情况下，取黑磷进行研磨，并将研磨后的黑磷分散在有机溶剂中得到浓度为0.6～1.2mg/mL的分散液；将所述分散液先在功率为1000～1400W下进行探针式超声2～4小时，然后在功率为200～400W下进行水浴超声8～12小时；超声完毕后，离心，收集上清液；
步骤3，将收集的上清液与聚酰亚胺以1:1的比例混合，之后将混合物涂布于钙钛矿结构吸光层上，并在200-400摄氏度的条件下烘烤30~50分钟，形成黑磷空穴传输层；
步骤4，通过常规溅射方法在黑磷空穴传输层上形成金正电极。
5.一种黑磷为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：
步骤1，通过常规沉积、溅射或者旋涂法在透明导电电极是依次形成电子传输层、钙钛矿结构吸光层；
步骤2，在隔绝空气的情况下，取黑磷进行研磨，并将研磨后的黑磷分散在有机溶剂中，得到浓度为0.6～1.2mg/mL的分散液；将所述分散液先在功率为1000～1400W下进行探针式超声2～4小时，然后在功率为200～400W下进行水浴超声8～12小时；超声完毕后，离心，收集上清液；
步骤3，在上清液中加入二硫化钛粉末并搅拌形成混合溶液，黑磷与二硫化钛的质量100：5~100：15；
步骤4，将形成混合溶液与聚酰亚胺以1:1的比例混合，之后将混合物涂布于钙钛矿结构吸光层上，并在200-300摄氏度的条件下烘烤30分钟，形成二硫化钛掺杂的黑磷空穴传输层；
步骤5，通过常规溅射方法在掺杂的黑磷空穴传输层上形成金正电极。
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