CN106505150A - 基于氧化锡电子传输层的钙钛矿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氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，涉及太阳能电池技术领域。本发明提出利用氧化锡材料作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层，其因自身的优异特性能在与钙钛矿匹配时，更有利于电荷的转移，完全改善了钙钛矿太阳能电池中存在的滞后现象，获得准确真实、高效率的光电转换效率。另外，本发明还提出了基于氧化锡电子传输层的钙钛矿电池制备方法，可以有效制备得到具有滞后效应低、高效率的电池器件。

Description

基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池是近几年兴起的一类非常具有前景的太阳能电池，其具有光电转换效率高、成本低、制作简单等突出优点。因此，这类太阳能电池相关材料和器件工艺的研究成为最近国内外研究的前沿和热点。目前提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率的主要技术手段，一是调整钙钛矿电池的材料成分，研发性能更加优良的物质替代原类型的空穴传输层、钙钛矿层或电子传输层；二是优化结构或调控钙钛矿电池各层的形貌来优化界面性能。这些措施使得钙钛矿太阳能电池的光电转化效率(即PCE)在7年的时间内从3.8％迅速提高22.1％。
钙钛矿太阳能电池的种类按结构划分可分为平面结构电池和介孔结构电池，平面结构根据底层电子传输层的类型不同又可分为n-i-p结构(正型)和p-i-n结构(反型)。P-i-n反型平面结构的电池通常没有滞后效应，所谓滞后效应即在I-V特性测试过程中正测(从Jsc扫到Voc)与反测(从Voc扫到Jsc)有区别。常规正型n-i-p结构通常采用TiO2作为电子传输层，这种类型的器件反测效率很高，但正测效率比反测效率低很多，因滞后效应往往导致难以获得准确可靠的电池转换效率(即PCE)。产生这种滞后效应的原因可能是钙钛矿层的离子迁移，或者钙钛矿层与电子传输层之间电学接触不好，存在势垒，从而产生电荷聚集，加剧滞后。
因此，改善钙钛矿层和电子传输层的电学接触显得尤为重要。氧化锡带隙为3.6eV，导带能级可达＞4.3eV，其导带比TiO2更低，与钙钛矿匹配时，更有利于电荷的转移；而且氧化锡的迁移率比TiO2高很多，因此，能够极大地消除电池的滞后，同时也说明氧化锡比氧化钛更适合做高效太阳能电池的电子传输层。
发明内容
(一)要解决的技术问题
钙钛矿电池中钙钛矿层的离子迁移，或钙钛矿层与电子传输层之间电学接触不好，存在势垒，从而产生电荷聚集，加剧了电池的滞后效应，造成电池转换效率不准确，无法获得效率准确的同时满足电池的高效率要求。
(二)技术方案
本发明的主要目的是提出了一种钙钛矿太阳能电池，包括自下而上依次的衬底、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极；
衬底用于将电子传输层的电子输出到太阳能电池外部；电子传输层用于传输钙钛矿吸收层的电子到衬底；钙钛矿吸收层用于吸收太阳光能量失去电子形成空穴；空穴传输层用于传输所述钙钛矿吸收层的空穴，并将来自金属电极的电子和空穴进行复合；金属电极用于接收太阳能电池外输入的电子；
其中，电子传输层的材料是氧化锡。电子传输层厚度为20nm至100nm。
衬底为导电玻璃。
钙钛矿吸收层材料是(FAPbI3)x(MAPbBr3)1-x。钙钛矿吸收层的厚度是300nm至900nm。
空穴传输层材料是Spiro-OMeTAD(2，2′，7，7′-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴)或PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])。空穴传输层厚度为150nm至250nm。
金属电极厚度为60nm至120nm。
另外，本发明还提出了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：
S1、在衬底上制备电子传输层；
S2、在电子传输层上依次制备钙钛矿吸收层、空穴传输层、金属电极。
其中，电子传输层的材料为氧化锡。
在S1中包括：采用氧化锡纳米颗粒溶液，通过旋涂-退火的工艺在衬底上制备所述电子传输层。退火工艺在低温状态下进行。
本发明提出的基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池，可以基本消除钙钛矿电池的滞后，从而得到稳定、可靠、高效的电池效率。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的基于氧化锡电子传输层的钙钛矿电池结构及其制备方法，能有效甚至完全改善平面钙钛矿电池中存在的滞后现象，获得真实有效的光电转换效率。
2、同时，基于本发明提出的基于氧化锡电子传输层的钙钛矿电池，通过优化钙钛矿吸收层，在几乎完全消除滞后的同时，能使电池获得非常高的光电转换效率(即PCE)，其基本可达20％以上，经美国Newport专业效率认证机构认证，确定可获得了高达19.9±0.6％的效率。
3、通过本发明提出的基于氧化锡电子传输层的钙钛矿电池制备方法，可以轻易地制备得到具有滞后效应低、高效率的电池器件。
附图说明
图1是本发明提供的具体实施例1基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明提供的具体实施例1基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池的I-V特性正测特性曲线及其参数表；
图3是本发明提供的具体实施例1基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池的I-V特性反测特性曲线及其参数表；
图4本发明提供的基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池的制备流程示意图。
其中，1是衬底，2是电子传输层，3是钙钛矿吸收层，4是空穴传输层，5是金属电极
具体实施方式
氧化锡带隙为3.6eV，导带能级可达＞4.3eV，其导带比TiO2更低，与钙钛矿匹配时，更有利于电荷的转移；而且氧化锡的迁移率比TiO2高很多，因此，能够极大地消除电池的滞后，同时也说明氧化锡比氧化钛更适合做高效太阳能电池的电子传输层。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例1，并参照附图1，对本发明作进一步的详细说明。
如图1本发明提供的基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池的结构示意图，其组成结构由下至上依次包括：导电玻璃衬底1；氧化锡电子传输层2，其制作在导电玻璃衬底1上；钙钛矿吸收层3，其制作在氧化锡电子传输层2上；空穴传输层4，其制作在钙钛矿吸收层3上；金属电极5，其制作在空穴传输层4上。
其中导电玻璃衬底1的是ITO，亦可是FTO，清洗后直接使用；氧化锡电子传输层2厚度为20nm至100nm；钙钛矿吸收层3的材料为(FAPbI3)x(MAPbBr3)1-x，厚度为300nm至900nm；空穴传输层4的材料为为Spiro-OMeTAD(2，2′，7，7′-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴)或PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])，厚度为150nm至250nm；金属电极5的材料为Au(金)，亦可是Ag(银)，厚度为60nm至120nm。
对具体实施例1提供的基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池进行I-V特性测试。测试结果如图2I-V特性正测(从Jsc扫到Voc)特性曲线及其光电参数表所示，其正测的转换效率(PCE)为20.54％；如图3I-V特性反测(从Voc扫到Jsc)特性曲线及其光电参数表所示，其反测的转换效率(PCE)为20.27％，其他参数差别亦可以忽略。因此，基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池的滞后效应非常小甚至得到了消除。
综上，根据具体实施例1所述的基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池，可以清晰、明确的体现本发明所述的技术方案有益效果。除此之外，本发明还提出了一种基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，该方法包括：
S1、在衬底上制备电子传输层；
S2、在电子传输层上依次制备钙钛矿吸收层、空穴传输层、金属电极。
其中，在所述的S1中，所述的电子传输层采用氧化锡纳米颗粒溶液，通过旋涂-退火的工艺制备。其中退火工艺需要在低温状态下进行，本领域中，低温状态是指退火温度一般小于150℃。
为了更加清晰地体现基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，本发明提出了具体实施例2对其制备方法进行详细的描述如下：
其步骤包括：
S1、在衬底上制备电子传输层。
步骤S1.1：对衬底ITO进行清洗：依次用洗涤剂，水，水，丙酮，异丙醇进行清洗；
步骤S1.2：采用在ITO上旋涂一层氧化锡纳米颗粒薄膜，通过调节旋涂仪的转速调节其厚度约为30nm，再进行低温退火(150℃，30min)，形成氧化锡电子传输层；
S2、在电子传输层上依次制备钙钛矿吸收层、空穴传输层、金属电极。
步骤S2.1：采用两步旋涂溶液的方法，在氧化锡电子传输层上面旋涂钙钛矿溶液，再在空气中进行退火(150℃，20min)，形成(FAPbI3)x(MAPbBr3)1-x钙钛矿吸收层3，其厚度约为600nm；
步骤S2.2：采用旋涂溶液的方法，在钙钛矿吸收层上面旋涂Spiro-OMeTAD溶液，形成Spiro-OMeTAD薄膜，制作空穴传输层，其厚度约为150nm；
步骤S2.3：采用蒸发沉积的方法，在空穴传输层4上面蒸发金属电极(Au)金约80nm。
综上，根据具体实施例2所述的基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，可以清晰、明确的制备得到本发明所述的基于氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种钙钛矿太阳能电池，包括自下而上依次的衬底、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极，其中，
所述的衬底用于收集电子传输层的电子；
所述的电子传输层用于传输所述钙钛矿吸收层的电子到衬底；
所述的钙钛矿吸收层用于吸收太阳光能量产生电子-空穴对；
所述的空穴传输层用于传输所述钙钛矿吸收层的空穴到金属电极；
所述的金属电极用于接收来自空穴传输层的空穴，并与来自衬底的电子复合，形成回路；
其特征在于：所述的电子传输层的材料是氧化锡。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的电子传输层厚度为20nm至100nm。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的衬底为导电玻璃。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的钙钛矿吸收层材料是(FAPbI3)x(MAPbBr3)1-x。
5.根据权利要求4所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的钙钛矿吸收层的厚度是300nm至900nm。
6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的空穴传输层材料是Spiro-OMeTAD(2，2′，7，7′-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴)或PTAA(聚[双(4-苯基)(2，4，6-三甲基苯基)胺])。
7.根据权利要求6所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的空穴传输层厚度为150nm至250nm。
8.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的金属电极厚度为60nm至120nm。
9.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：
S1、在衬底上制备电子传输层；
S2、在电子传输层上依次制备钙钛矿吸收层、空穴传输层、金属电极；
其特征在于，所述的电子传输层的材料为氧化锡。
10.根据权利要求9所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的S1包括：采用氧化锡纳米颗粒溶液，通过旋涂-退火的工艺在衬底上制备所述电子传输层。
11.根据权利要求10所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的退火工艺在低温状态下进行。
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