CN107331774A - 双钝化层结构的钙钛矿太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
发明涉及一种新型钙钛矿太阳能电池器件结构和具有特殊结构的钙钛矿薄膜的制备方法，采用相分离的方法原位在钙钛矿薄膜的上下两个表面析出具有钝化特性的绝缘相，其在钝化表面和晶界缺陷态的同时，实现在两个界面光生载流子的隧穿，降低了界面处的能量损失，提高了器件的光电转换效率，效率达到20％以上。另外，由于绝缘层的保护作用，提高了器件的稳定性，在未封装的情况下，持续光照1000小时光电转换效率衰减小于5％，远优于其它结构的电池器件。
Description
技术领域：
本发明属于光电材料技术领域，具体涉及一种新型的钙钛矿太阳能电池器件结构及其对应的制备方法。
背景技术：
随着社会的发展与进步，能源与环境问题受到人们越来越多的关注，太阳能电池作为解决该时代问题的一种有效途径，受到人们重视。目前市场上的太阳能电池主流产品是硅电池，而晶体硅价格昂贵导致硅电池的成本和传统的火力发电相比，不具有竞争优势。这种情形下，钙钛矿太阳能电池作为一种新型的太阳能电池，凭借其低廉的成本优势和优异的光电性能，迅速成为了研究热点，从09年诞生之初的3.8％的效率，短短几年内，上升为如今已获得验证的22％。纵观钙钛矿电池的发展历程，钙钛矿电池材料、器件结构、薄膜质量等一系列因素严重制约着电池的表现与应用，因此也成为人们研究的热点问题。
钙钛矿材料的通式为ABX3，目前以CH3NH3PbI3(MAPbI3)和NH2CH＝NH2PbI3(FAPbI3)为代表。器件结构为介孔结构和平面结构，另外，根据入射光的方向不同，通常又分为正式结构和反式结构。无论哪种结构的电池，通常是钙钛矿层直接接触电子和空穴传输材料，这对钙钛矿薄膜的界面要求较高，否则会引起明显的复合造成能量的损失。目前已有部分关于在界面插入绝缘层的报道，但仅局限在单层钝化结构，并且传统方法很难实现在钙钛矿两个表面的同时钝化和载流子隧穿。
发明内容
本发明的目的是解决目前在钙钛矿两个表面生成均匀薄层绝缘层的难题。通过将绝缘材料溶解到钙钛矿的前驱体溶液当中，一次成膜后绝缘相分散到钙钛矿层中，然后通过溶解再析出的手段使其在钙钛矿两个表面同时原位形成薄层绝缘层(即钝化层)。由于是原位生成，控制手段简单易行，而且跟钙钛矿材料具有很好的接触特性，保证了其对缺陷能级很好的钝化特性，通过控制添加绝缘相的比例和后续工艺手段，可以调控析出在表层的绝缘相的量，优化后可以实现在电池器件中载流子在两个界面的隧穿，从而降低了在此界面的复合，提高了电池的输出电压和效率。绝缘薄层的生成使得电池在在稳定性方面也得到了很大程度的改善。
这种工艺适合于多种器件结构，由于是原位析出反应，因此对器件基底的要求不高，唯一需要控制的是析出过程的实验参数调控，绝缘材料和钙钛矿原料的投料比为1:9～2:8，通过温度梯度等可控制析出速率，从而控制其生长的厚度。
本发明通过下述技术方案予以实现：
以具有介孔结构的钙钛矿P-i-N型太阳能电池为例，一：喷涂方法制备TiO2致密层，厚度为 30nm，然后旋涂TiO2介孔层浆料，煅烧后厚度控制在200-300nm左右。二：将3钙钛矿材料和绝缘材料如δ-NH2CH＝NH2PbI3混合，溶液法成膜，δ-NH2CH＝NH2PbI3相均匀混合到前驱体薄膜中，通过后续的甲胺气体处理技术，可以实现δ-NH2CH＝NH2PbI3相的均匀析出，在上下表面覆盖一层δ-NH2CH＝NH2PbI3相。
本发明提出了一种全新的制备薄膜技术，基于该技术构建了具有新型器件结构的钙钛矿太阳能电池，在器件效率上，达到了20％以上，在寿命上，未封装的情况下光照1000小时效率衰减仅为5％，远高于未有绝缘层结构的电池器件。
附图说明
附图1新方法制备的δ-NH2CH＝NH2PbI3复合膜的XRD图谱
新方法制备的δ-NH2CH＝NH2PbI3/MAPbI3复合膜的XRD图谱，加入不同量的绝缘材料制备的复合膜的XRD图谱，随着绝缘材料量的增多，绝缘材料的衍射峰越来越强(11.4°)，钙钛矿的衍射峰越来越弱(14.2°)
附图2新方法制备的δ-NH2CH＝NH2PbI3复合膜的表面SEM照片。
薄膜连续且全覆盖，未有孔洞结构。
附图3新方法制备的δ-NH2CH＝NH2PbI3复合膜的截面SEM照片，复合钙钛矿层较为致密，在介孔层中填充度高。
附图4基于δ-NH2CH＝NH2PbI3复合膜的太阳能电池器件的IV曲线，器件的正反扫结果类似，说明钙钛矿薄膜质量较高。
附图5不同δ-NH2CH＝NH2PbI3比例对电池器件效率的影响规律。含量在10％，20％表现出较高的光电输出效率。
附图6基于δ-NH2CH＝NH2PbI3复合膜的太阳能电池器件的稳定性曲线，器件测试条件为：未封装、测试气氛为氮气环境，光强强度约为0.6个太阳，持续光照。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
首先，溶胶凝胶法制备TiO2胶体，旋涂于清洗过的FTO玻璃上，然后500℃加热处理30min，得到致密的TiO2薄膜。再致密薄膜上旋涂TiO2浆料，TiO2的颗粒大小～20nm，然后再进一步500℃加热处理30min，得到TiO2介孔薄膜。其次，MAPbI3溶在DMSO溶液中，配制质量比为50％的溶液，然后旋涂在TiO2膜上，加热到100℃ 5min挥发掉溶剂，然后置于甲胺气氛中一段时间后移开，高温热处理后制备电池器件，掺杂Spiro-OMeTAD作为空穴传输层，最后蒸发100nm厚金作为阳极。在标准一个太阳的太阳光下得到17.5％的光电转换效率。
实施例2
首先，溶胶凝胶法制备TiO2胶体，旋涂于清洗过的FTO玻璃上，然后500℃加热处理30min，得到致密的TiO2薄膜。再致密薄膜上旋涂TiO2浆料，TiO2的颗粒大小～20nm，然后再进一步500℃加热处理30min，得到TiO2介孔薄膜。其次，按照摩尔百分比 MAPbI3：δ-NH2CH＝NH2PbI3为0.9：0.1混合在DMSO溶液中，配制质量比为50％的溶液，然后旋涂在TiO2膜上，加热到100℃ 5min挥发掉溶剂，然后置于甲胺气氛中一段时间后移开，高温热处理后制备电池器件，掺杂Spiro-MeOTAD作为空穴传输层，最后蒸发100nm厚金作为阳极。在标准一个太阳的太阳光下得到20.2％的光电转换效率。
实施例3
首先，溶胶凝胶法制备TiO2胶体，旋涂于清洗过的FTO玻璃上，然后500℃加热处理30min，得到致密的TiO2薄膜。再致密薄膜上旋涂TiO2浆料，TiO2的颗粒大小～20nm，然后再进一步500℃加热处理30min，得到TiO2介孔薄膜。其次，按照摩尔百分比0.8:0.2将MAPbI3和δ-NH2CH＝NH2PbCl3混合在DMSO溶液中，配制质量比为50％的溶液，然后旋涂在TiO2膜上，加热到100℃2min挥发掉溶剂，然后置于甲胺气氛中一段时间后移开，高温热处理后制备电池器件，掺杂Spiro-MeOTAD作为空穴传输层，最后蒸发100nm厚金作为阳极。在标准一个太阳的太阳光下得到20.5％的光电转换效率。
Claims (8)
1.一种新型钙钛矿太阳能电池结构和制备方法，其特征是在钙钛矿层两个表面构建薄绝缘层。
2.如权利要求1所述，钙钛矿材料ABX3，A为CH3NH3 +、NH＝CHNH3 +、Cs+；B为Pb2+；C为I-、Br-、Cl-，ABX可以是一种或多种的混合。
3.如权利要求1所述，电池结构指在钙钛矿薄膜两个表面构建薄层绝缘层，绝缘层两边分别跟空穴和电子传输材料接触。
4.如权利要求1所述，制备方法是原位相分离方法。
5.如权利要求1、3所述，绝缘层材料为R-NH3PbCl3、R-NH3PbI3等，R＝CnH2n+1或CnH2nN，n在0到10之间。
6.如权利要求4所述，原位相分离是指将钙钛矿材料和绝缘材料混合成膜，然后通过气体处理技术产生相分离，气体如甲胺、甲脒等。
7.如权利要求6所述，器件结构是平面结构或介孔结构太阳能电池。
8.如权利要求6所述，薄膜的制备方法有狭缝涂布、喷涂、打印等。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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