CN106910825A - 稳定湿度的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

稳定湿度的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种稳定湿度的钙钛矿太阳能电池，该电池包括由下至上分别设置的FTO导电玻璃层、氧化钛致密层、PVA修饰的钙钛矿吸收层、致密氧化铝层、空穴传输层和金属电极。该电池制备方法，选FTO作为衬底材料，然后清洗吹干；FTO基底放入TiCl4的水溶液中反应后清洗并吹干得到氧化钛致密层；在钙钛矿前驱溶液中加入PVA，搅拌溶解后涂覆在氧化钛致密层上得到的PVA修饰的钙钛矿光吸收层；将配制好的HTM溶液旋涂到钙钛矿吸收层上，得到空穴传输层；采用金作为钙钛矿太阳能电池的金属电极。提高钙钛矿材料的水稳定性；并在CH3NH3PbI3上沉积一层隔水层，阻止空气中的水分与钙钛矿材料接触。

Description

稳定湿度的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能领域，尤其涉及一种稳定湿度的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着人类社会的高速发展，能源的需求和消耗迅速增加，充分利用太阳能，成为解决人类社会能源危机的有效途径之一。近年来，有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的迅猛发展引起了国内外的广泛关注和深入研究，其光电转换效率已高达22.1%。但是，要实现有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的产业化和商业化，电池的稳定性问题必须解决，钙钛矿电池的稳定性主要受制于钙钛矿材料的结构稳定性。研究表明，在潮湿环境下，钙钛矿材料的晶格容易被破坏，导致分解。
目前报道的平面结构有机/无机杂化钙钛矿电池的构成主要是FTO/TiO2致密层/CH3NH3PbI3吸收层/spiro-OMeTAD空穴传输层/Au。CH3NH3PbI3在潮湿环境中会迅速分解成PbI2和CH3NH3，导致电池效率下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种稳定湿度的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，解决以往钙钛矿材料的晶格容易在潮湿环境下被破坏的缺陷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种稳定湿度的钙钛矿太阳能电池，该电池包括由下至上分别设置的FTO导电玻璃层、氧化钛致密层、PVA修饰的钙钛矿吸收层、致密氧化铝层、空穴传输层和金属电极。
进一步的，所述PVA修饰的钙钛矿吸收层，在钙钛矿前驱液中添加PVA，旋涂成膜，钙钛矿吸收层厚度为350-450nm。
进一步的，所述氧化钛致密层的厚度15-25nm。
进一步的，所述空穴传输层为spiro-OMeTAD，所述空穴传输层厚为 140-160nm。
进一步的，所述金属电极为Au电极，厚度为70-90nm。
一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，该电池的制备步骤如下：
① 选择FTO作为衬底材料，然后清洗吹干；
② FTO基底放入TiCl4的水溶液中反应后清洗并吹干，加热后得到氧化钛致密层；
③ 将摩尔比1:1的PbI2粉末和CH3NH3PbI3晶体溶解在N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶剂中，磁力搅拌得到CH3NH3PbI3钙钛矿前驱溶液；在钙钛矿前驱溶液中加入PVA，搅拌溶解后将钙钛矿前驱溶液涂覆在氧化钛致密层上，旋涂完毕后，将样品至于加热板上100℃退火，得到的PVA修饰的钙钛矿光吸收层；
④ 向甲苯中加入spiro-OMeTAD、4-叔丁基吡啶、Li-TFSI的乙腈溶液，室温下磁力搅拌配置成HTM溶液；将配制好的HTM溶液旋涂到钙钛矿吸收层上，放置在密闭的干燥器内过夜氧化得到spiro-OMeTAD空穴传输层；
⑤ 采用金作为钙钛矿太阳能电池的金属电极。
进一步的，在上述步骤③生成的钙钛矿光吸收层上，采用ALD法在钙钛矿层上沉积一层致密氧化铝层，所述致密氧化铝层位于钙钛矿光吸收层和空穴传输层之间。
进一步的，在上述步骤③中，采用一步旋涂法将钙钛矿前驱液旋涂至TiO2致密层上，旋涂过程分为两个阶段，低速阶段转速为1000r/min，时间为20s，高速阶段转速为6000r/min，时间为50s。
本发明的有益效果是：在钙钛矿膜中引入适量的聚乙烯醇（PVA），PVA具有较强吸水，能够吸收并锁住水分子，从而提高钙钛矿材料的水稳定性；并在CH3NH3PbI3上沉积一层隔水层，阻止空气中的水分与钙钛矿材料接触。通过上述两方面的有机结合，解决有机/无机杂化钙钛矿电池的湿度稳定性问题。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是湿度稳定的有机/无机杂化钙钛矿电池示意图。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种稳定湿度的钙钛矿太阳能电池，该电池包括由下至上分别设置的FTO导电玻璃层、氧化钛致密层、PVA修饰的钙钛矿吸收层、致密氧化铝层、空穴传输层和金属电极。
FTO导电玻璃层的方块电阻10-15欧姆，透过率为90%；PVA修饰的钙钛矿吸收层，在钙钛矿前驱液中添加PVA，旋涂成膜，钙钛矿吸收层厚度为350-450nm，厚度优选400nm。氧化钛致密层的厚度15-25nm。氧化钛致密层的厚度优选20nm。致密氧化铝层是采用原子层沉积（ALD）的方法制得，厚度为0.5nm。空穴传输层为spiro-OMeTAD，空穴传输层厚为 140-160nm。厚度优选150 nm。金属电极为Au电极，厚度为70-90nm。厚度优选80 nm。
将具有较好吸水性的PVA添加到CH3NH3PbI3薄膜中，改善钙钛矿层的成膜质量，提高钙钛矿吸收层的湿度稳定性。
一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，该电池的制备步骤如下：
① 选择FTO作为衬底材料，然后清洗吹干；
具体的，选择方块电阻10Ω、透过率90%的FTO作为衬底材料，依次用异丙醇、丙酮、乙醇超声清洗15min，然后用N2吹干。
②FTO基底放入TiCl4的水溶液中反应后清洗并吹干，加热后得到氧化钛致密层；
具体的，FTO基底放入TiCl4的水溶液（v:v = 1:5）中70℃加热1h，反应结束后，依次用水和乙醇冲洗样品，并用N2吹干，100℃加热1h后得到TiO2致密层。
③ 将摩尔比1:1的PbI2粉末和CH3NH3PbI3晶体溶解在N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶剂中，磁力搅拌得到CH3NH3PbI3钙钛矿前驱溶液；在钙钛矿前驱溶液中加入PVA，搅拌溶解后将钙钛矿前驱溶液涂覆在氧化钛致密层上，旋涂完毕后，将样品至于加热板上100℃退火，得到的PVA修饰的钙钛矿光吸收层；
具体的，将摩尔比1:1的PbI2粉末和CH3NH3PbI3晶体溶解在5ml的N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜（体积比4:6）混合溶剂中，60℃下磁力搅拌12h，得到浓度为1.2mol/L的CH3NH3PbI3钙钛矿前驱溶液，在钙钛矿前驱溶液中加入3mgPVA；
采用一步旋涂法将钙钛矿前驱液旋涂至TiO2致密层上，旋涂过程分为两个阶段，低速阶段转速为1000r/min，时间为20s，高速阶段转速为6000 r/min，时间为50s。当转速达到6000r/min 20s后，用移液器量取500ul氯苯对旋转的钙钛矿层进行冲淋，旋涂完毕后，将样品至于加热板上100℃退火10min，得到性能优越的钙钛矿光吸收层。
④ 向甲苯中加入spiro-OMeTAD、4-叔丁基吡啶、Li-TFSI的乙腈溶液，室温下磁力搅拌配置成HTM溶液；将配制好的HTM溶液旋涂到钙钛矿吸收层上，放置在密闭的干燥器内过夜氧化得到spiro-OMeTAD空穴传输层；
具体的，向1ml甲苯中加入72.3 mg的spiro-OMeTAD（2,2’,7,7’- 四 [N,N- 二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9’- 螺二茐）、28.8 µl的4-叔丁基吡啶、17.5 µl Li-TFSI（二（三氟甲基磺酰）锂）的乙腈溶液，室温下磁力搅拌6h，配置成HTM溶液。其中，Li-TFSI的乙腈溶液浓度为520mg/ml。将配制好的HTM溶液旋涂到钙钛矿吸收层上，旋涂速率为5000r/min，时间为30s，然后将样品取出手套箱，放置在密闭的干燥器内过夜氧化。
⑤采用金作为钙钛矿太阳能电池的金属电极。具体的，采用金作为钙钛矿太阳能电池的金属电极，通过真空蒸镀法的进行金电极的制备，蒸镀时气压为1.0-5 Pa，金属电极厚度为80 nm，电池的面积为0.25cm2。
在上述步骤③生成的钙钛矿光吸收层上，采用ALD法在钙钛矿层上沉积一层致密氧化铝层，致密氧化铝层位于钙钛矿光吸收层和空穴传输层之间。具体的，采用ALD法在钙钛矿层上沉积一层超薄Al2O3致密层，Al源为三甲基铝，O源为O3，沉积温度为70℃，沉积速率0.1nm/cycle，沉积厚度0.5nm。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种稳定湿度的钙钛矿太阳能电池，其特征是，该电池包括由下至上分别设置的FTO导电玻璃层、氧化钛致密层、PVA修饰的钙钛矿吸收层、致密氧化铝层、空穴传输层和金属电极。
2.根据权利要求 1所述的稳定湿度的钙钛矿太阳能电池，其特征是，所述PVA修饰的钙钛矿吸收层，在钙钛矿前驱液中添加PVA，旋涂成膜，钙钛矿吸收层厚度为350-450nm。
3.根据权利要求 1所述的稳定湿度的钙钛矿太阳能电池，其特征是，所述氧化钛致密层的厚度15-25nm。
4.根据权利要求 1所述的稳定湿度的钙钛矿太阳能电池，其特征是，所述空穴传输层为spiro-OMeTAD，所述空穴传输层厚为 140-160nm。
5.根据权利要求 1所述的稳定湿度的钙钛矿太阳能电池，其特征是，所述金属电极为Au电极，厚度为70-90nm。
6.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征是：该电池的制备步骤如下：
选择FTO作为衬底材料，然后清洗吹干；
FTO基底放入TiCl4的水溶液中反应后清洗并吹干，加热后得到氧化钛致密层；
将摩尔比1:1的PbI2粉末和CH3NH3PbI3晶体溶解在N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶剂中，磁力搅拌得到CH3NH3PbI3钙钛矿前驱溶液；在钙钛矿前驱溶液中加入PVA，搅拌溶解后将钙钛矿前驱溶液涂覆在氧化钛致密层上，旋涂完毕后，将样品至于加热板上100℃退火，得到的PVA修饰的钙钛矿光吸收层；
向甲苯中加入spiro-OMeTAD、4-叔丁基吡啶、Li-TFSI的乙腈溶液，室温下磁力搅拌配置成HTM溶液；将配制好的HTM溶液旋涂到钙钛矿吸收层上，放置在密闭的干燥器内过夜氧化得到spiro-OMeTAD空穴传输层；
采用金作为钙钛矿太阳能电池的金属电极。
7.根据权利要求6所述的稳定湿度的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征是，在上述步骤③生成的钙钛矿光吸收层上，采用ALD法在钙钛矿层上沉积一层致密氧化铝层，所述致密氧化铝层位于钙钛矿光吸收层和空穴传输层之间。
8.根据权利要求6所述的稳定湿度的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征是，在上述步骤③中，采用一步旋涂法将钙钛矿前驱液旋涂至TiO2致密层上，旋涂过程分为两个阶段，低速阶段转速为1000r/min，时间为20s，高速阶段转速为6000 r/min，时间为50s。
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