CN106450007A - 一种基于碘化亚铜/钙钛矿体异质结的太阳能电池及制备方法 - Google Patents

一种基于碘化亚铜/钙钛矿体异质结的太阳能电池及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种高性能钙钛矿体异质结太阳能电池的制备方法。通过把碘化亚铜溶于碘化铅和氯化铅的N,N‑二甲基甲酰胺（DMF）溶液中形成前驱体,采用两步旋涂成膜法制备钙钛矿体异质结。首先将前驱体溶液旋涂到氟掺杂氧化锡玻璃（FTO玻璃）上，然后滴加碘甲胺（MAI）的异丙醇溶液，从而获得了具有高结晶性、大尺寸的钙钛矿晶粒与碘化亚铜晶粒形成的体异质结，提高了吸光层的吸光度，加速了空穴的传输与光生载流子的分离，获得了较高的光电转换效率。本发明的制备方法与传统的介孔或平面钙钛矿电池相比，工艺简单、易操作，特别适合制备大批量、低成本的太阳能电池。

Description

一种基于碘化亚铜/钙钛矿体异质结的太阳能电池及制备 方法
技术领域
本发明属于薄膜太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种新型碘化亚铜/钙钛矿体异质结太阳能电池的制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池是一种新型的固态薄膜电池，目前光电转换效率已经超过20%。钙钛矿电池一般结构有介孔结构和平面结构，介孔结构太阳能电池是指：FTO玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/钙钛矿层/空穴传输层/电极；钙钛矿太阳能电池中多采用介孔TiO2作为电子传输层。虽然介孔TiO2层增大了与光活性层的接触面积，促进了载流子的分离，加快了载流子的传输，但是介孔TiO2的制备过程需要经过500℃的高温热处理，这使得电池衬底的选择受到很大限制。传统的平面异质结太阳能电池结构分为正置结构和反型结构，正置结构是指：FTO玻璃/电子传输层/钙钛矿层/空穴传输层/电极；反型结构是指：FTO玻璃/空穴传输层/钙钛矿层/电子传输层/电极；大多数高光电转换效率的太阳能电池所使用的空穴传输层为有机空穴传输层（如PEDOT：PSS、PTAA、spiro-OMeTAD等），但是有机空穴传输材料制备工艺复杂，价格昂贵，并不满足大规模生产的要求。因此，找到替代有机空穴传输层的无机材料至关重要。
碘化亚铜（CuI）是一种宽带隙p型半导体材料，禁带宽度为3.1 eV，与钙钛矿能级匹配，并且在可见光范围内透明，电阻率较低，适合用作钙钛矿太阳能电池等光电子器件中。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现存的技术不足，提供了一种利用廉价新材料（碘化亚铜，CuI）制备具有体异质结结构钙钛矿电池的方法。体异质结太阳能结构为：FTO玻璃/空穴传输层（CuI）与钙钛矿混合层/电子传输层/电极，简化了电池制备工艺，为开发廉价的钙钛矿太阳能电池提供了一种新思路。
为了克服已经存在的技术不足，本发明的技术方案为：
一种基于碘化亚铜/钙钛矿体异质结的太阳能电池，包括体异质结光吸收层、电子传输层、电极修饰层、电极。本发明首次将碘化亚铜与钙钛矿混合构造的体异质结作为光吸收层和空穴传输层，并制备了电池。简化了传统平面异质结太阳能电池的制备工艺，并获得了8.6 %的光电转换效率。通过旋涂法制备体异质结光活性层，且其厚度在270-300nm之间。常用无机电子传输材料有TiO2、ZnO、SnO2等，有机电子传输材料有PCBM等，通过旋涂法制备的PCBM电子传输层厚度为30-100nm，通过旋涂法制备的BCP电极修饰层厚度为8nm，通过真空蒸镀法制备的Ag电极厚度为60nm。
体异质结太阳能电池制备的技术步骤：
1，刻蚀窗口层FTO （方阻为15-20Ω/□）玻璃并清洗干净备用；2，在衬底上旋涂混合前驱体溶液制备光活性层；3，在光活性层上制备电子传输层；4，制备电极修饰层；5，蒸镀金属电极；
制备体异质结光活性层的具体步骤：把碘化铅和氯化铅溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，然后置于磁力搅拌器上70℃搅拌十二个小时，最后把碘化亚铜粉末溶于搅拌澄清的碘化铅和氯化铅前驱体溶液中常温搅拌至溶液澄清，将干燥的基片放入手套箱中，然后旋涂混有碘化亚铜的前驱体溶液30s，重新启动匀胶机在匀胶机旋转的过程中滴加一滴一定浓度的碘甲胺的异丙醇溶液旋转30s，最后把涂好的片放到加热板上100℃退火10分钟。
本发明的有益效果：本发明属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种高性能钙钛矿体异质结太阳能电池的制备方法。通过把碘化亚铜溶于碘化铅和氯化铅的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中两步法制备钙钛矿体异质结。首先将前驱体溶液旋涂到氟掺杂氧化锡玻璃（FTO玻璃）上，然后滴加碘甲胺（MAI）的异丙醇溶液，从而获得了具有高结晶性、大尺寸的钙钛矿晶粒与碘化亚铜晶粒形成的体异质结，提高了吸光层的吸光度，加速了空穴的传输与光生载流子分离，获得了较高的光电转换效率。本发明的制备方法与传统的介孔或平面钙钛矿电池相比，工艺简单、易操作，特别适合制备大批量、低成本的太阳能电池。
附图说明
图1为传统反型无空穴传输层平面异质结太阳能结构示意图
图2为体异质结太阳能电池的结构示意图
图3为掺入碘化亚铜（左）和不掺碘化亚铜（右）SEM图
图4为掺入碘化亚铜和不掺碘化亚铜XRD图
图5为掺入碘化亚铜断面的扫描电镜示意图
图6为掺入碘化亚铜和不掺碘化亚铜的I-V曲线
其中1.玻璃,2.FTO,3.光吸收层，4.电子传输层，5.电极修饰层，6.Ag电极，7.掺入碘化亚铜光吸收层和空穴传输层。
具体实施方式
实施例1
（1）制备无空穴传输层平面异质结太阳能电池结构示意图如图1。将FTO透明导电玻璃切成1.6cm的长条，接着贴上一厘米宽的胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成1.6×1.7cm长方形，用碱液超声清洗30-60 min，再用酒精超声清洗30-60 min，最后用去离子水超声清洗10-30min，然后放入烘干箱干燥以备用；（2）把碘化铅和氯化铅溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，然后置于磁力搅拌器上70℃搅拌十二个小时；（3）将干燥的基片放入手套箱中，然后以6000r/min的转速旋涂碘化铅和氯化铅的前驱体溶液30s，重新启动匀胶机在同样转速下滴加一滴一定浓度的碘甲胺的异丙醇溶液，最后把涂好的片放到加热板上100℃退火10分钟，所得薄膜的SEM图为图3（右），XRD图为4（上）；（4）在上述（3）条件下，以1500r/min的转速旋涂浓度为15-20mg/ml的PCBM的氯苯溶液，最后以3500r/min的转速旋涂BCP（浴铜灵）的乙醇溶液，将制备好的样品取出，用真空镀膜仪蒸镀Ag电极60nm，蒸发速率为0.5Å/s。所测光电转换效率图为图6。
实施例2
（1）制备体异质结太阳能电池结构示意图如图2。本实施例与1相同，不同之处在于步骤（2）把碘化铅和氯化铅溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，然后置于磁力搅拌器上70℃搅拌十二个小时，最后把碘化亚铜粉末溶于搅拌澄清的碘化铅和氯化铅前驱体溶液中常温搅拌至溶液澄清；（3）将干燥的基片放入手套箱中，然后以6000r/min的转速旋涂混有碘化亚铜的前驱体溶液30s，重新启动匀胶机在在同样转速下滴加一滴一定浓度的碘甲胺的异丙醇溶液，最后把涂好的片放到加热板上100℃退火10分钟，所得薄膜的SEM图为图3（左）XRD图为4（下）；（4）在上述（3）条件下，以1500r/min的转速旋涂浓度为15-20mg/ml的PCBM的氯苯溶液，最后以3500r/min的转速旋涂BCP（浴铜灵）的乙醇溶液，将制备好的样品取出，用真空镀膜仪蒸镀Ag电极60nm，蒸发速率为0.5Å/s。所测光电转换效率图为图6。
实施例3
本实施例与实施例2相同，不同之处在于步骤3采用4000r/min的转速旋涂混有碘化亚铜的碘化铅和氯化铅的前驱体溶液30s，然后把涂好的片置于加热板上100℃退火5min，重新启动匀胶机在6000r/min转速下滴加一滴一定浓度的碘甲胺的异丙醇溶液，最后把涂好的片放到加热板上100℃退火10分钟。
实施例4
本实施例与实施例2相同，不同之处在于步骤3采用6000r/min的转速旋涂混有碘化亚铜的碘化铅和氯化铅的前驱体溶液30s，然后把涂好的片置于加热板上100℃退火5min，重新启动匀胶机在6000r/min转速下滴加一滴一定浓度的碘甲胺的异丙醇溶液，最后把涂好的片放到加热板上100℃退火10分钟。
表一

Claims (6)

1.一种基于碘化亚铜/钙钛矿体异质结的太阳能电池及制备方法，其制备步骤如下：1、以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；2、制备碘化亚铜/钙钛矿体异质结薄膜；3、在钙钛矿层上制备电子传输层；4、在电子传输层上制备电极修饰层；5、在电极修饰层上制备金属电极，从而获得太阳能电池。
2.如权利要求1一种基于碘化亚铜/甲胺铅碘体异质结的太阳能电池及制备方法如下：
（1）将FTO透明导电玻璃切成1.6cm的长条，接着贴上1cm宽的胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成1.6×1.7cm长方形，用碱液超声清洗30-60 min，再用酒精超声清洗30-60 min，最后用去离子水超声清洗10-30 min，然后放入烘干箱干燥以备用。
3.（2）把碘化铅和氯化铅溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，然后置于磁力搅拌器上70℃搅拌十二个小时，最后把碘化亚铜粉末溶于搅拌澄清的碘化铅和氯化铅前驱体溶液中常温搅拌至溶液澄清。
4.（3）将干燥的基片放入手套箱中，然后旋涂混有碘化亚铜的前驱体溶液30s，重新启动匀胶机在匀胶机旋转的过程中滴加一滴一定浓度的碘甲胺的异丙醇溶液，最后把涂好的基片放到加热板上100℃退火10分钟。
5.（4）在上述（3）条件下，旋涂浓度为15-20mg/ml的PCBM的氯苯溶液，最后旋涂BCP（浴铜灵）的乙醇溶液，将制备好的样品取出，用真空热蒸发镀膜仪蒸镀金属电极。
6.如权利要求1所述的一种基于碘化亚铜/钙钛矿体异质结的太阳能电池及制备方法，制备了体异质结太阳能电池，且具有较好的光电性能，典型的性能参数如表一。
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