CN106981574B

CN106981574B - 一种长寿命钙钛矿光伏电池及其制备方法

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Publication number: CN106981574B
Application number: CN201710254756.2A
Authority: CN
Inventors: 张楚; 陈胜红
Original assignee: Zhejiang Blue Green New Material Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Blue Green New Material Technology Co., Ltd.
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2037-04-18
Also published as: CN106981574A

Abstract

本发明涉及光电子器件技术领域，特别是一种长寿命钙钛矿光伏电池及其制备方法。本发明所述光伏电池由下到上依次包括ITO导电玻璃、P型层、吸光层、N型层、透明电极、封装层和反射电极组成。其中所述的吸光层为钙钛矿型光伏材料吸光层，透明电极为磁控溅射生长的ITO，封装层为利用ALD技术生长的致密的Al₂O₃薄膜。本发明的钙钛矿太阳能电池三层结构N型层能有效避免溅射ITO对器件的损伤，器件使用ITO作为透明电极提取电子，使用封装层隔绝空气和水气，使用反射电极进行光反射，有效提高钙钛矿电池的能量转换效率和器件稳定性。

Description

一种长寿命钙钛矿光伏电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种长寿命钙钛矿光伏电池及其制备方法，属于光电子器件技术领域。

背景技术

近年来，为了解决日益严峻的能源和环境问题，人们把目光投向了新能源的开发和利用上。在各种新能源技术中，光伏发电无疑是最具有前景的方向之一。传统的硅基太阳能电池虽然实现了产业化，有着较为成熟的市场，但其性价比还无法与传统能源相竞争，并且制造过程中的污染和能耗问题影响了其广泛应用。因此，研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池十分必要。在众多的新型太阳能电池里，钙钛矿光伏电池近两年脱颖而出，自从2012年PARK课题组首次报道寿命500小时以上、效率达到9.7%的全固态钙钛矿光伏电池以来，钙钛矿光伏电池受到了学界和产业界的极大关注，发展迅速，还被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。

虽然钙钛矿光伏电池的能量转换效率已经突破了20%，但是器件低的寿命仍然限制了其商业化。这主要表现在:(1)空气中的水气和氧气进入到电池内部，造成钙钛矿吸光层材料的分解；(2)钙钛矿中的碘离子析出，腐蚀电极，造成电极光反射能力的下降和电荷收集能力的降低，最终导致器件寿命的低下。为了解决这一问题，本发明从研究钙钛矿电池的退化机理入手，提出一种新的钙钛矿光伏电池结构和制备方法，有效解决了空气进入、电极腐蚀等造成钙钛矿电池寿命下降的问题，相比其他结构的钙钛矿光伏电池，本发明的电池的效率高，同时器件寿命得到了大幅提升。

发明内容

为了解决背景技术中所述的钙钛矿光伏电池寿命低下的问题，本发明提供一种新型钙钛矿光伏电池及其制备方法，能够大幅度提高电池的寿命。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种长寿命钙钛矿光伏电池，所述光伏电池由下到上依次包括ITO导电玻璃、P型层、吸光层、N型层、透明电极、封装层和反射电极组成。

进一步的，所述的ITO导电玻璃的方块电阻10-20Ω，透过率在75%-85%。

进一步的，所述的P型层为polyTPD、PEDOT:PSS、NiO、CuI中的一种，厚度10-50nm。

进一步的，所述的吸光层为有机无机杂化钙钛矿类材料CH₃NH₃PbI_XCl_YBr_Z，其中X+Y+Z=3, CH₃NH₃PbI_XCl_YBr_Z层的厚度200-500 nm。

进一步的，所述的N型层为三层结构，包括第一N型层、第二N型层和第三N型层，其中第一N型层为PCBM、C₆₀、C₇₀中的一种，厚度25-50 nm；第二N型层位于第一N型层之上，第二N型层为BCP、Bphen、Alq、TPBI中的一种，厚度5-10nm；第三N型层位于第二N型层之上，第三N型层为CuPc，厚度20 nm。

进一步的，所述的透明电极为ITO,厚度20-200 nm。

进一步的，所述的封装层为Al₂O₃，厚度5-20 nm。

进一步的，所述的反射电极为Al电极或Ag电极，厚度100-200nm。

进一步的，电池的制备按照P型层、吸光层、N型层、透明电极、封装层和反射电极的顺序依次进行。

进一步的，电池制备包括以下步骤：

(1) ITO导电玻璃采用丙酮、玻璃清洗剂依次清洗，丙酮、去离子水、异丙醇中各超声处理10分钟，氮气吹干后紫外灯照射处理10分钟；

(2)在ITO导电玻璃上制备P型层；

(3)在P型层上制备吸光层;在手套箱中将配置好的钙钛矿前驱体溶液使用均胶机旋转涂覆在P型层上，然后在加热板上退火处理，蒸发掉多余的溶剂，获得结晶性能良好的钙钛矿薄膜作为吸光层；

(4)在吸光层上制备N型层；

(5)在N型层制备ITO透明电极，ITO制备采用磁控溅射技术，在真空条件生长，获得透明、均匀、导电性能良好的透明电极；

(6)在透明电极上制备Al₂O₃封装层；Al₂O3封装层生长利用原子层沉积技术，在150-250℃条件下生长出一层均匀、致密、超薄的Al₂O₃薄膜；

(7)在封装层上制备反射电极。

为了提高钙钛矿光伏电池的寿命，本发明采用三层结构N型层、透明电极、封装层和反射电极的结构,取代单一的N型层加反射电极结构。本发明的积极效果如下：(1)在器件内部引入超薄的致密封装层，防止水气和氧气的进入，保护钙钛矿吸光层，同时隔绝反射电极与钙钛矿层的接触，提高器件寿命；(2)使用ITO透明电极收集电荷，避免了传统的Al、Ag、Au金属作为电荷收集的电极，ITO透明电极不易被钙钛矿层腐蚀，进一步提高了器件寿命；(3)使用三层结构的N型层，第三N型层为CuPc，具备良好的电子传输特性，同时可以有效防止溅射ITO透明电极时高温对吸光层所造成的伤害，避免了器件性能下降；(4)增加了额外的Al或者Ag反射电极，反射电极远离钙钛矿层，不易被腐蚀。反射电极的光反射率高，一次入射没有被完全吸收的光可以被反射电极二次反射入光吸收层进行二次吸收，从而提高了器件的效率。本发明将传统电池中电极的收集电荷与反射光的两个作用分解，使用ITO收集电荷，使用Al或者Ag进行光反射。 ITO的导电性能好，Al、Ag的光反射率高，电池寿命提高的同时，能量转换效率几乎不会发生下降。

附图说明

图1为本发明的钙钛矿光伏电池的器件结构示意图。

图2为本发明的三层结构N型层的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

一种长寿命钙钛矿光伏电池，如图1所述，其特征在于，所述光伏电池由下到上依次包括ITO导电玻璃、P型层、吸光层、N型层、透明电极、封装层和反射电极组成；所述的N型层如图2所示，为三层结构，包括第一N型层、第二N型层和第三N型层，其中第一N型层为PCBM、C₆₀、C₇₀中的一种，厚度25-50 nm；第二N型层位于第一N型层之上，第二N型层为BCP、Bphen、Alq、TPBI中的一种，厚度5-10 nm；第三N型层位于第二N型层之上，第三N型层为CuPc，厚度20 nm。更具体的，钙钛矿光伏电池的结构为ITO/ PEDOT:PSS(40nm)/ CH₃NH₃PbI₃(300 nm)/C₆₀(40 nm)/BCP(8 nm)/CuPc(20 nm)/ITO(100 nm)/Al₂O₃(5 nm)/Al(100 nm)。器件的制备包括以下过程(1) ITO导电玻璃采用丙酮、玻璃清洗剂依次清洗，丙酮、去离子水、异丙醇中各超声处理10分钟，氮气吹干后紫外灯照射处理10分钟； (2)在ITO导电玻璃上旋转涂覆PEDOT:PSS作为P型层；旋转涂覆转速3500转每秒，旋转30秒，然后在12-摄氏度加热板上退火20分钟； (3)在PEDOT:PSS上制备CH₃NH₃PbI₃吸光层;在手套箱中将配置好摩尔比为1：1的CH₃NH₃I和PbI₂的钙钛矿DMF前驱体溶液使用均胶机旋转涂覆在PEDOT:PSS层上，然后在100℃加热板上退火处理60分钟，蒸发掉多余的溶剂，获得结晶性能良好的CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜作为吸光层； (4)在真空度小于10^-4Pa条件下，在CH₃NH₃PbI₃吸光层上通过热蒸镀的方法依次生长40 nm的C₆₀、8 nm的BCP和20 nm的CuPc作为N型层；(5)在N型层上通过磁控溅射的方法生长制100 nm的ITO透明电极(6)在ITO透明电极上利用原子层沉积技术制备5 nm的Al₂O₃封装层； (7)在Al₂O₃封装层上制备热蒸镀100 nm Al作为反射电极完成器件的制备。

实施例二

钙钛矿光伏电池的结构为ITO/PEDOT:PSS(40 nm)/ CH₃NH₃PbI_xCl_3-x(300 nm)/PCBM(30 nm)/BPhen(5 nm)/ITO(50 nm)/Al₂O₃ (20 nm)/Ag(80 nm)，器件的制备包括以下过程(1) ITO导电玻璃采用丙酮、玻璃清洗剂依次清洗，丙酮、去离子水、异丙醇中各超声处理10分钟，氮气吹干后紫外灯照射处理10分钟； (2)在ITO导电玻璃上旋转涂覆PEDOT:PSS作为P型层；旋转涂覆转速3500转每分钟，旋转30秒，然后在120℃加热板上退火20分钟；(3)在PEDOT:PSS上制备CH₃NH₃PbI_xCl_3-x吸光层；在手套箱中将配置好摩尔比为1：1的CH₃NH₃I和PbCl₂的钙钛矿DMSO前驱体溶液使用均胶机旋转涂覆在PEDOT:PSS层上，然后在95℃加热板上退火处理120分钟，蒸发掉多余的溶剂，获得结晶性能良好的CH₃NH₃PbI_xCl_3-x钙钛矿薄膜作为吸光层； (4)在CH₃NH₃PbI_xCl_3-x吸光层上通过旋转涂覆的方法生长30 nm的PCBM 作为第一N型层，在真空度小于10^-4Pa条件下，通过热蒸镀的方法继续生长5 nm的BPhen作为第二N型层和20 nm的CuPc作为第三N型层； (5)在N型层上通过磁控溅射的方法生长50 nm的ITO透明电极；(6)在ITO透明电极上利用原子层沉积技术制备20 nm的Al₂O₃封装层； (7)在Al₂O₃封装层上制备热蒸镀200 nm Ag作为反射电极完成器件的制备。

Claims

1.一种长寿命钙钛矿光伏电池，其特征在于，所述光伏电池由下到上依次包括ITO导电玻璃、P型层、吸光层、N型层、透明电极、封装层和反射电极组成；所述的N型层为三层结构，包括第一N型层、第二N型层和第三N型层，其中第一N型层为PCBM、C60、C70中的一种，厚度25-50 nm；第二N型层位于第一N型层之上，第二N型层为BCP、Bphen、Alq、TPBI中的一种，厚度5-10 nm；第三N型层位于第二N型层之上，第三N型层为CuPc，厚度20 nm；所述的透明电极为ITO ,厚度20-100 nm，所述的封装层为Al2O3，厚度5-20nm。

2. 如权利要求1所述的一种长寿命钙钛矿光伏电池，其特征在于，所述的ITO导电玻璃的方块电阻10-20Ω，透过率在75%-85%；所述的P型层为polyTPD、PEDOT:PSS、NiO、CuI中的一种，厚度10-50 nm。

3.如权利要求1所述的一种长寿命钙钛矿光伏电池，其特征在于，所述的吸光层为有机无机杂化钙钛矿类材料CH3NH3PbIXClYBrZ，其中X+Y+Z=3 , CH3NH3PbIXClYBrZ层的厚度200-500 nm。

4.如权利要求1所述的一种长寿命钙钛矿光伏电池，其特征在于，所述的反射电极为Al电极或Ag电极，厚度50-100nm。

5.一种如权利要求1-4任一所述的长寿命钙钛矿光伏电池的制备方法，其特征还在于，电池制备包括以下步骤：

(1) ITO导电玻璃采用丙酮、玻璃清洗剂依次清洗，丙酮、去离子水、异丙醇中各超声处

理10分钟，氮气吹干后紫外灯照射处理10分钟；

(2)在ITO导电玻璃上制备P型层；

(3)在P型层上制备吸光层：在手套箱中将配置好的钙钛矿前驱体溶液使用匀胶机旋转涂覆在P型层上，然后在加热板上退火处理，蒸发掉多余的溶剂，获得结晶性能良好的钙钛矿薄膜作为吸光层；

(4)在吸光层上制备N型层：在吸光层上按照先后顺序依次制备第一N型层、第二N型层和第三N型层；

(5)在N型层制备ITO透明电极：ITO制备采用磁控溅射技术，在真空条件生长，获得透明、均匀、导电性能良好的透明电极；

(6)在透明电极上制备Al2O3封装层；Al2O3封装层生长利用原子层沉积技术，在150-250℃条件下生长出一层均匀、致密的Al2O3薄膜；

(7)在封装层上制备反射电极。