CN107170894A - 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿太阳电池及其制备方法。在阴极基底上旋涂五氯化铌与水反应生成的氧化铌水合物溶液，制备厚度为40～200纳米的氧化铌薄膜，形成钙钛矿太阳能电池的电子传输层；在电子传输层上依次制备钙钛矿吸光层、空穴传输层以及收集空穴的金属阳极，得到钙钛矿太阳能电池。本发明利用溶液法制备氧化铌电子传输层的方法，具有工艺简单、易于调控的特点，制备的氧化铌薄膜均匀、平整、致密，可实现大规模及卷对卷生产工艺；同时，制备氧化铌电子传输层的过程在低温下进行（≤150°C），无需高温煅烧，适合于采用柔性衬底制备钙钛矿太阳能电池。

Description

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机——无机金属卤化物钙钛矿材料凭借其在可见光范围中较高的吸光系数、较低的激子结合能以及较长的载流子扩散长度（大于1微米）等优异性质得到广泛关注和研究。基于此类材料的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在过去几年内突飞猛进，如今已高达22.1%。另外，钙钛矿太阳能电池具备可溶液法制备特点，可极大地降低生产成本，成为一类极具前景的太阳能电池。
现今，高效的钙钛矿太阳能电池通常采用氧化钛作为电子传输层，但是在氧化钛制备的过程中需要高温（500℃）煅烧以获得优异的电子传输能力。显然，高温处理会引起更多的能源消耗，而且阻碍了电池在柔性基底上的应用，极大地限制了钙钛矿太阳能电池的推广应用。因此开发一种低温制备的电子传输材料对钙钛矿太阳能电池的发展尤为重要。
五氧化二铌（简称氧化铌）是一种典型的N型半导体材料，具有与氧化钛类似的光学带隙、能级位置和电荷传输特性，以及优异的化学稳定性。因此，氧化铌被认为是一种潜在的可以代替氧化钛作为钙钛矿太阳能电池电子传输层的材料。现今，在钙钛矿太阳能电池中，制备氧化铌薄膜主要采用磁控溅射和溶胶——凝胶法，其中磁控溅射制备时需要依赖专业且精密的仪器及真空环境，这样使得氧化铌薄膜的制备工艺复杂，成本提高，也限制了钙钛矿太阳能电池卷对卷生产和印刷制备工艺的采用。溶胶——凝胶法以乙醇铌为前驱体，原料价格较昂贵，在氧化铌薄膜的制备过程中仍需要高温（500℃）煅烧，并且基于该工艺的钙钛矿太阳能电池光电转换效率很低（～12%）。因此，研发一种制备氧化铌电子传输层的新工艺，以实现高效的钙钛矿太阳能电池已迫在眉睫。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种工艺简单，成本低廉，适用于卷对卷生产和印刷工艺的低温溶液法制备高效钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案是提供一种钙钛矿太阳能电池，包括基底，阴极，电子传输层，钙钛矿吸光层，空穴传输层和阳极：所述电子传输层为氧化铌薄膜，薄膜厚度为40～200纳米。
本发明所述的一种钙钛矿太阳能电池，其阴极为氧化铟锡或掺氟氧化锡。
本发明技术方案还包括制备上述钙钛矿太阳能电池的方法，步骤如下：
1、将五氯化铌与水反应得到氧化铌水合物前驱体溶液，在阴极基底上旋涂前驱体溶液，再经退火处理，制备厚度为40～200纳米的氧化铌薄膜，形成电子传输层；所述前驱体溶液的浓度为0.4～0.9摩尔/升，旋涂转速为3000～7500转/分，退火温度为25～250℃；
2、在电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，采用氯苯诱导结晶方法制备钙钛矿薄膜，形成钙钛矿吸光层；
3、在钙钛矿吸光层上依次制备空穴传输层和金属阳极，得到钙钛矿太阳能电池。
本发明的一个优选的方案是，对步骤1得到的氧化铌薄膜进行紫外臭氧处理0～30分钟。
上述技术方案中，步骤1的退火处理时间可以是30～120分钟，退火温度优选为150℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明用溶液法制备氧化铌电子传输层，无需高温煅烧，使得整个钙钛矿太阳能电池的生产过程都能在低温下进行，方法简单便捷；制备的氧化铌薄膜均匀、致密，厚度可调且易于重复，适合于柔性衬底，采用大规模卷对卷工艺生产钙钛矿太阳能电池。
2、将氧化铌作为电子传输层，制备得到高效率的钙钛矿太阳能电池。
附图说明
图1是本发明提供的钙钛矿太阳能电池的结构示意图，图中至下而上依次是玻璃基底；1、阴极；2、电子传输层；3、钙钛矿吸光层；4、空穴传输层；5、金属阳极。
图2是本发明实施例1中所描述的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
图3是本发明实施例2中所描述的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
图4是本发明实施例3中所描述的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
图5是本发明实施例4中所描述的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
图6是本发明实施例5中所描述的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
图7是本发明实施例6中所描述的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池，其结构如图1所示，图中至下而上依次是玻璃基底；阴极1、电子传输层2、钙钛矿吸光层3、空穴传输层4和金属阳极5。
制备钙钛矿太阳能电池的具体步骤如下：
步骤一，对玻璃基底及氧化铟锡（ITO） 所组成的阴极1分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇，丙酮进行超声清洗，并对基底进行紫外臭氧处理20分钟。室温下，在空气中配置浓度为0.4摩尔/升的五氯化铌的水溶液，制备氧化铌前驱体溶液，过滤后以6000转/分的转速旋涂在阴极1上；再在温度为150℃的条件下退火处理1小时，形成厚度为60纳米的电子传输层2。采用开尔文探针显微镜测得氧化铌薄膜的费米能级是-4.01 eV，与钙钛矿吸光层的导带能级匹配，有利于电子的传输；氧化铌薄膜电子传输层2在可见光区域的透光性大于90%，有利于充足的光入射到钙钛矿吸光层。
步骤二，在电子传输层2上利用一步法旋涂制备钙钛矿吸光层3。具体是将碘化铅和甲胺基碘以摩尔比为1:1的量混合，溶解在GBL与DMSO（体积比为7:3）的混合溶剂中，形成1.2摩尔每升的钙钛矿前驱体溶液，旋涂前驱体溶液在适当的时候滴入氯苯诱导结晶，将薄膜置于100℃退火处理10分钟，得到350纳米厚度的钙钛矿吸光层3。
步骤三，在钙钛矿层3上依次沉积空穴传输层4和金作为金属阳极5，厚度分别是180纳米和100纳米，得到如图1结构所示的钙钛矿太阳能电池。
参见附图2，它是对本实施例提供的在ITO上制备的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为22.0 mA/cm2，开路电压为1.03 V，填充因子为70.6%，光电转换效率为16.0%。
实施例2
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池，其结构如图1所示，具体步骤如下：
步骤一，对玻璃基底及氧化铟锡（ITO） 所组成的阴极1分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇，丙酮进行超声清洗后，对基底进行紫外臭氧处理20分钟。室温下，在空气中配置浓度为0.6摩尔每升的五氯化铌的水溶液，形成氧化铌前驱体溶液，过滤后以6000转每分的转速旋涂在阴极1上，经150℃退火处理1小时，形成厚度为90纳米的电子传输层2。
步骤二，在电子传输层2上利用一步法旋涂制备钙钛矿吸光层3。具体是将碘化铅和甲胺基碘以摩尔比为1:1的量混合，溶解在GBL与DMSO（体积比为7:3）的混合溶剂中，形成1.2摩尔每升的钙钛矿前驱体溶液，旋涂前驱体溶液在适当的时候滴入氯苯诱导结晶，将薄膜置于100℃退火10分钟，得到350纳米厚度的钙钛矿吸光层3。
步骤三，在钙钛矿层3上依次沉积空穴传输层4和金作为金属阳极5，厚度分别是180纳米和100纳米，得到如图1结构所示的钙钛矿太阳能电池。
参见附图3，它是对本实施例提供的在ITO上制备的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流为22.2 mA/cm2，开路电压为1.04 V，填充因子为74.0%，光电转换效率为17.1%。
实施例3
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池，其结构如图1所示，具体步骤如下：
步骤一，对玻璃基底及氧化铟锡（ITO） 所组成的阴极1分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇，丙酮进行超声清洗，对基底进行紫外臭氧处理20分钟。室温下，在空气中配置浓度为0.8摩尔每升的五氯化铌的水溶液，形成氧化铌前驱体溶液，过滤后以6000转每分的转速旋涂在阴极1上，再经150°C退火处理1小时，形成厚度为120纳米的电子传输层2。
步骤二，在电子传输层2上利用一步法旋涂制备钙钛矿吸光层3。具体是将碘化铅和甲胺基碘以摩尔比为1:1的量混合，溶解在GBL与DMSO（体积比为7:3）的混合溶剂中，形成1.2摩尔每升的钙钛矿前驱体溶液，旋涂前驱体溶液在适当的时候滴入氯苯诱导结晶，将薄膜置于100℃退火10分钟，得到350纳米厚度的钙钛矿吸光层3。
步骤三，在钙钛矿层3上依次沉积空穴传输层4和金作为金属阳极5，厚度分别是180纳米和100纳米，得到如图1结构所示的钙钛矿太阳能电池。
参见附图4，它是对本实施例提供的在ITO上制备的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流为22.0 mA/cm2，开路电压为1.04 V，填充因子为72.8%，光电转换效率为16.7%。
实施例4
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池，其结构如图1所示，具体步骤如下：
步骤一，对玻璃基底及氧化铟锡（ITO） 所组成的阴极1分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇，丙酮进行超声清洗，对基底进行紫外臭氧处理20分钟。室温下，在空气中配置浓度为0.6摩尔每升的五氯化铌的水溶液，形成氧化铌前驱体溶液，过滤后以4500转每分的转速旋涂在阴极1上，随后250℃退火1小时，形成厚度为100纳米的电子传输层2。
步骤二，在电子传输层2上利用一步法旋涂制备钙钛矿吸光层3。具体是将碘化铅和甲胺基碘以摩尔比为1:1的量混合，溶解在GBL与DMSO（体积比为7:3）的混合溶剂中，形成1.2摩尔每升的钙钛矿前驱体溶液，旋涂前驱体溶液在适当的时候滴入氯苯诱导结晶，将薄膜置于100℃退火10分钟，得到350纳米厚度的钙钛矿吸光层3。
步骤三，在钙钛矿层3上依次沉积空穴传输层4和金作为金属阳极5，厚度分别是180纳米和100纳米，得到如图1结构所示的钙钛矿太阳能电池。
参见附图4，它是对本实施例提供的在ITO上制备的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流为22.0 mA/cm2，开路电压为1.02 V，填充因子为69.3%，光电转换效率为15.6%。
实施例5
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池，其结构如图1所示，具体步骤如下：
步骤一，对玻璃基底及氧化铟锡（ITO） 所组成的阴极1分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇，丙酮进行超声清洗，对基底进行紫外臭氧处理20分钟。室温下，在空气中配置浓度为0.9摩尔每升的五氯化铌的水溶液，形成氧化铌前驱体溶液，过滤后以3000转每分的转速旋涂在阴极1上，25℃放置1小时，形成厚度为200纳米的电子传输层2。
步骤二，在电子传输层2上利用一步法旋涂制备钙钛矿吸光层3。具体是将碘化铅和甲胺基碘以摩尔比为1:1的量混合，溶解在GBL与DMSO（体积比为7:3）的混合溶剂中，形成1.2摩尔每升的钙钛矿前驱体溶液，旋涂前驱体溶液在适当的时候滴入氯苯诱导结晶，将薄膜置于100℃退火10分钟，得到350纳米厚度的钙钛矿吸光层3。
步骤三，在钙钛矿层3上依次沉积空穴传输层4和金作为金属阳极5，厚度分别是180纳米和100纳米，得到如图1结构所示的钙钛矿太阳能电池。
参见附图5，它是对本实施例提供的在ITO上制备的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流为21.3 mA/cm2，开路电压为1.03 V，填充因子为70.5%，光电转换效率为15.5%。
实施例6
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池，其结构如图1所示，具体步骤如下：
步骤一，对玻璃基底及氟掺杂氧化锡（简称FTO） 所组成的阴极1分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇，丙酮进行超声清洗，对基底进行紫外臭氧处理20分钟。室温下，在空气中配置浓度为0.4摩尔每升的五氯化铌的水溶液，形成氧化铌前驱体溶液，过滤后以7500转每分的转速旋涂在阴极1上，经150℃退火1小时，形成厚度为40纳米的电子传输层2。
步骤二，在电子传输层2上利用一步法旋涂制备钙钛矿吸光层3。具体是将碘化铅和甲胺基碘以摩尔比为1:1的量混合，溶解在GBL与DMSO（体积比为7:3）的混合溶剂中，形成1.2摩尔每升的钙钛矿前驱体溶液，旋涂前驱体溶液在适当的时候滴入氯苯诱导结晶，将薄膜置于100℃退火10分钟，得到350纳米厚度的钙钛矿吸光层3。
步骤三，在钙钛矿层3上依次沉积空穴传输层4和金作为金属阳极5，厚度分别是180纳米和100纳米，得到如图1结构所示的钙钛矿太阳能电池。
参见附图6，它是对本实施例提供的在FTO上制备的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流为22.0 mA/cm2，开路电压为1.01 V，填充因子为56.1%，光电转换效率为12.5%。
本发明各实施例制备的器件参数参见表1。
表1
。

Claims (6)

1.一种钙钛矿太阳能电池，包括基底，阴极，电子传输层，钙钛矿吸光层，空穴传输层和阳极，其特征在于：所述电子传输层为氧化铌薄膜，薄膜厚度为40～200纳米。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的阴极为氧化铟锡或掺氟氧化锡。
3.一种如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将五氯化铌与水反应得到氧化铌水合物前驱体溶液，在阴极基底上旋涂前驱体溶液，再经退火处理，制备厚度为40～200纳米的氧化铌薄膜，形成电子传输层；所述前驱体溶液的浓度为0.4～0.9摩尔/升，旋涂转速为3000～7500转/分，退火温度为25～250℃；
（2）在电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，采用氯苯诱导结晶方法制备钙钛矿薄膜，形成钙钛矿吸光层；
（3）在钙钛矿吸光层上依次制备空穴传输层和金属阳极，得到钙钛矿太阳能电池。
4.根据权利要求3所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：对步骤（1）得到的氧化铌薄膜进行紫外臭氧处理0～30分钟。
5.根据权利要求3所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：退火温度为150℃。
6.根据权利要求3或5所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：退火处理时间为30～120分钟。
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