CN106252516B - 一种平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件及制备方法 - Google Patents

一种平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件，由下到上包括衬底、阳极层，空穴传输层，单分子修饰层，钙钛矿层、电子传输层，阴极修饰层和阴极层；所述空穴传输层为聚乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠的混合薄膜、聚三苯胺的均聚物或共聚物、聚咔唑的均聚物或共聚物、硫氰酸亚铜、氧化镍薄膜、氧化亚铜、氧化钼薄膜、氧化钒薄膜或者氧化钨薄膜；所述电子传输层为富勒烯或富勒烯的衍生物。本发明实现了良好的能级匹配从而达到提高平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池开路电压、填充因子和能量转换效率的目的，可以获得高性能的半透明平面倒置有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件。

Description

一种平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件及 制备方法
技术领域
本发明涉及有机/无机杂化钙钛矿光伏技术领域，特别涉及一种平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件及制备方法。
背景技术
随着全球对于能源需求的逐年增加，石油、煤炭等传统能源的日益枯竭，以及对保护地球生态环境的需要，全世界越来越多的科学家将研究集中在氢气、太阳能等取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。
成熟的无机硅、砷化镓、磷化铟等基于无机材料的太阳电池已经在市场上占有主导地位，然而由于其对于材料纯度的要求高，加工过程中会产生高能耗及污染等问题，且其价格非常昂贵，因此在追求低成本和绿色环保的今天，其大规模应用受到了限制。
基于溶液加工的有机-无机杂化钙钛矿类太阳电池最近在国际上倍受关注，该类钙钛矿材料具备吸收强，迁移率高，载流子寿命长，可调控带隙以及可采用多种方式加工等优点。短短7年，实验室小面积器件的功率转换效率已经从 3.81％提高到22.1％，成为最有潜力的太阳电池技术。
钙钛矿太阳电池可以采取介孔和平面形式两种器件结构，其中介孔钙钛矿太阳电池制备过程中需要高温将TiO2的前驱体转化成无机半导体，制备工艺较为复杂，相比之下，采用类似于有机太阳电池器件结构的平面倒装钙钛矿电池可以采用低温全溶液加工方法，这一点不仅可以使得生产能耗大幅降低，还能实现大面积生产，还可制备柔性器件，质量轻便，可满足不同的需要。
平面倒置半透明钙钛矿电池器件结构为ITO/聚乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠的混合薄膜(PEDOT:PSS)/钙钛矿/苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)/银(Ag)，其中阳极方面：PEDOT:PSS与钙钛矿之间并非最优化界面接触，PEDOT:PSS最高已占轨道能级(-5.1eV)与钙钛矿价带能级(-5.4eV)不匹配，而且PEDOT:PSS 电子阻挡能力差；而在阴极方面：PC61BM最低未占轨道能级(-4.2eV)与钙钛矿导带能级(-3.9eV)不匹配，这两个界面能级不匹配导致平面倒装钙钛矿电池开路电压低于介孔钙钛矿电池，从而降低平面倒装钙钛矿电池光电转换效率。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件，大大提高平面倒装钙钛矿电池开路电压，从而提高平面倒装钙钛矿电池光电转换效率。
本发明的另一目的在于提供上述平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件，其特征在于，由下到上包括衬底、阳极层，空穴传输层，单分子修饰层，钙钛矿层、电子传输层，阴极修饰层和阴极层；
所述空穴传输层为聚乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠的混合薄膜、聚三苯胺的均聚物或共聚物、聚咔唑的均聚物或共聚物、硫氰酸亚铜、氧化镍薄膜、氧化亚铜、氧化钼薄膜、氧化钒薄膜或者氧化钨薄膜；
所述电子传输层为富勒烯或富勒烯的衍生物。
所述单分子修饰层为二乙醇胺，厚度为1-10纳米。
所述钙钛矿层由化合物A和化合物B制成；所述化合物A为含卤素的有机盐或无机盐；所述化合物B为含卤素的金属无机盐。
所述钙钛矿层为CH3NH3PbI3，厚度为50-400nm。
所述衬底为玻璃或者透明塑料薄膜。
所述阳极层为铟掺杂的氧化锡薄膜、氟掺杂的氧化锡薄膜、铝掺杂的氧化锌薄膜、金属银、金纳米线或者薄膜。
所述空穴传输层的厚度为10～100纳米。
所述电子传输层的厚度为10～100nm。
所述的平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上通过溶液加工法或者真空蒸镀法依次制备阳极层、空穴传输层、单分子修饰层；
(2)在单分子修饰层上通过溶液加工法或者真空蒸镀法制备钙钛矿层、电子传输层，阴极修饰层和阴极层组成，得到平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件。
所述溶液加工法为旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明通过将具有低最高已占轨道能级的氧化镍以及单分子修饰层和高的最低未占轨道能级的富勒烯制作在倒置型光伏器件中，实现良好的能级匹配从而达到提高平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池开路电压、填充因子和能量转换效率的目的，可以获得高性能的半透明平面倒置有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件。
附图说明
图1为本发明的实施例制备的平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件的电压-电流密度曲线图。
图2为本发明的实施例制备的平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件的透光谱。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
将ITO导电玻璃，方块电阻～20Ω/□，预切割成15毫米×15毫米方片。依次用丙酮、微米级半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声清洗，氮气吹扫后置于恒温烘箱备用。使用前，ITO净片在氧等离子体刻蚀仪中以等离子体轰击 4分钟，旋涂NiO乙醇溶液并获得最终膜厚为30纳米薄膜，在大气环境下300℃退火3小时，然后将基片浸泡在二乙醇胺的异丙醇溶液中10分钟，用氮气吹干后传入手套箱旋涂钙钛矿活性层材料CH3NH3PbI3，配置质量浓度为15％光活性层材料(溶剂为γ-羟基丁酸内酯：二甲基亚砜＝7:3)，500rpm，10s以及5000rpm， 60s，在5000rpm开始的第20s滴加0.15ml的甲苯溶液，然后100℃加热退火10min，然后依次在其上旋涂一层40nm厚的电子传输层C60(CH2)(Ind)层 (20mg/ml，溶剂为氯苯)和5nm的阴极修饰层PN4N(0.2mg/ml，溶剂为异丙醇)，最后采用蒸镀的方法蒸镀一层银电极。银电极蒸镀在真空镀膜机中真空度达到3×10-4Pa以下时完成。镀膜速率与各层电极之厚度由石英振子膜厚监测仪 (STM-100型,Sycon公司)实时监控。所有制备过程均在提供氮气惰性氛围的手套箱内进行。最终获得具有玻璃/ITO/NiO/DEA/钙钛矿层/C60(CH2)(Ind)/PN4N/银电极的器件。器件的电流－电压特性，是在一个标准太阳光照下(AM 1.5光谱)，通过电脑控制的Keithley2400电流电压源测得。由图 1～2可以得出，C60(CH2)(Ind)的加入，可以使得器件的开路电压得到相当大的提高，同时光伏器件的填充因子也得到一定的提高，最终表现出加入 C60(CH2)(Ind)的光伏器件具有更高的能量转换效率和透光率。
表1平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件性能
器件A结构：ITO/NiO/DEA/CH3NH3PbI3/C60(CH2)(Ind)/PN4N(5nm)/Ag(10nm)
器件B结构：ITO/NiO/DEA/CH3NH3PbI3/C60(CH2)(Ind)/PN4N(5nm)/Ag(14nm)
从表1中可以看出，10nm银电极的器件表现出高开路电压(1.13V)和高效率(11.0％)以及高透光率(25.6％)，进一步增加银电极的厚度器件表现出更高的短路电流和效率。
本实施例的钙钛矿活性层材料还可为CH3NH3PbIxCl3-x或CH3NH3Pb(I0.3Br0.7)xCl3-x或两者的混合物，其中0≤X≤3。所述钙钛矿活性层材料由化合物A和化合物B制成，所述化合物A的CH3NH3I、CH3NH3Br、CH3NH3Cl、CH3CH2NH3I、 CH3CH2NH3Br、CH3CH2NH3Cl、CH3CH2CH2NH3I、CH3CH2CH2NH3Br、 CH3CH2CH2NH3Cl、CsI、CsBr、CsCl、CH(NH2)2I、CH(NH2)2Br、CH(NH2)2Cl、CH3CHNH2NH3I、CH3CHNH2NH3Br、CH3CHNH2NH3Cl的合成按照文献(J.Am. Chem.Soc.2012,134,17396-17399)中的方法制备得到。所述的化合物B为含卤素的金属无机盐，优选为以下化合物中的至少一种：PbI2、PbBr2、PbCl2、SnI2、 SnBr2、SnCl2、GeI2、GeBr2、GeCl2。
上述的CH3NH3PbIxCl3-x的制备方法如下：把化合物CH3NH3I和PbI2、PbCl2按比例混合，溶于有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺，加热反应后，涂覆在单分子修饰层形成光活性层。
上述的CH3NH3Pb(I0.3Br0.7)xCl3-x制备方法如下：把化合物CH3NH3Br和PbI2、 PbCl2按比例混合，溶于有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺，加热反应后，涂覆在单分子修饰层形成光活性层。
本实施例中，有机溶剂优选为环己酮、环戊酮、γ-丁内酯、δ-戊内酯、γ-戊内酯、ε-己内酯、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
本实施例中，衬底还可为玻璃或者透明塑料薄膜。
本实施例中，阳极层还可为氟掺杂的氧化锡薄膜、铝掺杂的氧化锌薄膜、银纳米线、金纳米线或者银薄膜或者金薄膜。
本实施例中，溶液加工法还可为刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
将ITO导电玻璃预切割成15毫米×15毫米方片，依次用丙酮、微米级半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声清洗，氮气吹扫后置于恒温烘箱备用；使用前，ITO净片在氧等离子体蚀刻仪中以等离子体轰击4分钟，旋涂NiO乙醇溶液并获得最终膜厚为30纳米薄膜，在大气环境下300℃退火3小时，然后将基片浸泡在二乙醇胺的异丙醇溶液中10分钟，用氮气吹干后传入手套箱旋涂钙钛矿活性层材料CH3NH3PbI3,配制质量浓度为15％光活性材料，溶剂为γ-羟基丁酸内酯：二甲基亚砜＝7:3，以500rpm转速旋涂10s以及5000rpm转速旋涂60s，在5000rpm转速旋涂开始的第20s滴加0.15ml的甲苯溶液，然后100℃加热退火10min，然后依次在活性层上旋涂一层40nm厚的电子传输层C60(CH2)(Ind)层和5nm的阴极修饰层PN4N，最后采用蒸镀的方法蒸镀一层银电极；银电极蒸镀在真空镀膜机中真空度达到3×10-4pa以下时完成；所有在手套箱内的制备过程均在提供氮气惰性氛围下进行，最终获得具有玻璃/ITO/NiO/DEA/钙钛矿层/C60(CH2)(Ind)/PN4N/银电极的器件。
2.根据权利要求1制备的一种平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件，其特征在于，由下到上包括衬底、阳极层ITO、空穴传输层、单分子修饰层、钙钛矿层、电子传输层、阴极修饰层和阴极层；所述阴极层的厚度为10nm。
3.根据权利要求2所述的一种平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件，其特征在于，所述单分子修饰层为二乙醇胺，厚度为1-10纳米。
4.根据权利要求2所述的一种平面倒置半透明有机/无机杂化钙钛矿太阳电池器件，其特征在于，所述钙钛矿层厚度为50-400nm。
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