CN107611190A

CN107611190A - 一种耐弯折钙钛矿太阳能电池及制备方法

Info

Publication number: CN107611190A
Application number: CN201710839590.0A
Authority: CN
Inventors: 谈利承; 陈义旺; 黄增麒; 胡婷
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2018-01-19

Abstract

一种耐弯折钙钛矿太阳能电池，包括透明衬底、负极、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层、正极，其特征是所述钙钛矿活性层由钙钛矿材料和添加剂组成；所述的添加剂为聚氨酯；所述的钙钛矿材料为CH₃NH₃PbI₃、CH₃NH₃PbI_3‑xCl_x或(FAPbI₃)_1‑x(MAPbBr₃)_x；添加剂聚氨酯按0.01 wt%~5wt%质量浓度添加至钙钛矿前驱体溶液。本发明通过对钙钛矿前驱体溶液引入聚氨酯，在调控钙钛矿晶体成核、减缓其结晶速率的同时，提高了钙钛矿薄膜的耐弯折性能，为制备高性能柔性钙钛矿太阳能电池提供了新的思路，以实现钙钛矿太阳能电池柔性卷对卷的商业化生产。

Description

一种耐弯折钙钛矿太阳能电池及制备方法

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域。

背景技术

随着能源危机的日益加剧，迫使各国在太阳能电池等新能源领域投入了大量的人力、物力和财力。钙钛矿太阳能电池具有高效、成本低、质轻、柔性、可大面积印刷等特点，使其成为下一代具有商业化应用前景的绿色能源。钙钛矿太阳能电池最初是由钙钛矿活性层制备于致密TiO₂及介孔TiO₂覆盖的氟掺杂氧化锡(FTO)负极上，随后制备空穴传输层及一种高功函的正极（如：金）的传统结构来实现的。然而由于以下因素的影响：1.缺乏长期稳定性；2. 钙钛矿晶体的易脆性。这种传统结构的钙钛矿太阳能电池器件稳定性较差，光电转化效率衰减较快，不利于大面积商业化生产。

为提高钙钛矿太阳能电池的性能同时解决稳定性问题，如何提高钙钛矿薄膜质量是问题的关键。迄今为止，已经采用多种方法来制备高质量的钙钛矿活性层，例如使用氯化物添加剂来降低结晶速率，滴加反溶剂来制备光滑且表面覆盖度高的钙钛矿薄膜等。除此之外，聚合物被用作添加剂加入到钙钛矿前驱体中，有效地提高了钙钛矿薄膜的形貌以及表面覆盖率从而获得高性能的钙钛矿太阳能电池。如使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)促进均匀成核同时改善钙钛矿薄膜的覆盖度，将聚乙二醇(PEG)加入钙钛矿前驱体中通过延缓钙钛矿晶体的生长和聚集来调控钙钛矿薄膜的形貌等等。最近，Grätzel等人通过使用聚甲基丙烯酸(PMMA)作为模板来控制钙钛矿薄膜的成核与结晶，从而制备出认证效率高达21.02%的高质量钙钛矿薄膜。这些都表明了聚合物将是提高钙钛矿太阳能电池性能极具影响力的候选者。

聚氨酯具有良好的光学及力学性能，在可见光范围内的高透过率，高弹性，粘稠性以及低温可溶液制备等优点，使聚氨酯成为一种理想的调控钙钛矿晶体成核结晶，同时提高钙钛矿薄膜力学性能的材料。但是，聚氨酯材料的导电性能较差，因此一直未被应用于钙钛矿太阳能电池。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题和不足，提供一种能够有效提高太阳能电池光电转换效率、稳定性及耐弯折性能的钙钛矿太阳能电池。本发明工艺简单、低温、低成本、可工业化大规模生产高性能柔性太阳能电池器件。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种耐弯折钙钛矿太阳能电池，其可为正式结构或反式结构。

所述的正式结构依次包括透明衬底、负极、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层、正极；所述的反式结构依次包括透明衬底、正极、空穴传输层、钙钛矿活性层、电子传输层、负极。

所述钙钛矿活性层由钙钛矿材料和添加剂组成，其中添加剂为聚氨酯，优选聚酯型聚氨酯、聚醚型聚氨酯、弹性体或热塑弹性体聚氨酯。

所述的钙钛矿材料为CH₃NH₃PbI₃、CH₃NH₃PbI_3-xCl_x或(FAPbI₃)_1-x(MAPbBr₃)_x，钙钛矿活性层厚度为200 nm ~ 300 nm，添加剂聚氨酯按0.01 wt% ~ 5wt%质量浓度添加至钙钛矿前驱体溶液。

本发明所述的钙钛矿活性层按以下步骤制备。

（1）在手套箱中，将聚氨酯材料加到N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中配成浓度为5mg mL^-1 ~ 20 mg mL^-1的溶液，60℃磁力搅拌1 h~ 2 h，溶解备用。

（2）将上述聚氨酯溶液按质量浓度0.01 wt% ~ 5wt%加入至钙钛矿前驱体溶液中，60℃磁力搅拌10 min ~ 20 min，形成混合前驱体溶液，然后再将上述含有聚氨酯的钙钛矿前驱体溶液旋涂甩干后退火，得到相应钙钛矿活性层。

本发明所述的钙钛矿太阳能电池的制备步骤如下。

正式结构。

（1）将含有ITO或FTO的玻璃基底清洗干净，在基底上制备得到钙钛矿太阳能电池的电子传输层。

（2）将钙钛矿活性层材料溶解后制备在界面层上，即得到钙钛矿活性层。

（3）将钙钛矿活性层进行干燥退火。

（4）将空穴传输层材料溶解后旋涂在钙钛矿活性层上。

（5）最后在真空条件下（1×10^-4 pa）蒸镀一层金属正极。

反式结构。

（1）将含有ITO或FTO的玻璃基底清洗干净，在基底上制备得到钙钛矿太阳能电池的空穴传输层。

（3）将钙钛矿活性层进行干燥退火。

（4）将电子传输层材料溶解后旋涂在钙钛矿活性层上。

（5）最后在真空条件下（1×10^-4 pa）蒸镀一层金属负极。

进一步地，所述含有聚氨酯的钙钛矿活性层的制备方法为一步法、两步沉积法或两步旋涂法，旋涂环境为氮气或氩气；所述退火温度为90℃~120℃，退火时间为10 min ~20 min，退火环境为氮气或氩气。

本发明通过在钙钛矿前驱体溶液中引入聚氨酯材料，在调控钙钛矿晶体成核、减缓其结晶速率的同时，提高了钙钛矿薄膜的耐弯折性能，为制备高性能柔性钙钛矿太阳能电池提供了新的思路。

本发明具有以下优点：

本发明可以通过溶液加工和低温退火方法制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池，并且钙钛矿薄膜更耐弯折。

首先，通过将聚氨酯材料引入钙钛矿前驱体溶液，减缓了钙钛矿晶体的结晶速率，能够获得晶粒尺寸大且覆盖度高的钙钛矿薄膜，有利于提高器件的能量转换效率。

其次，聚氨酯的加入使得钙钛矿晶粒尺寸增大的同时，减少了钙钛矿表面缺陷，从而提高了器件的稳定性。

此外，聚氨酯能够粘结相邻钙钛矿晶体之间的晶界，形成聚氨酯网络，在提高器件稳定性的同时提高了钙钛矿薄膜的耐弯折性能，这有利于钙钛矿太阳能电池柔性卷对卷的商业化生产。

附图说明

图1为本发明器件正式结构图。1为含透明衬底的负极，2为电子传输层，3为钙钛矿活性层，4为空穴传输层，5为金属正极。

图2为本发明器件反式结构图。1-1为含透明衬底的正极，2-1为空穴传输层，3为钙钛矿活性层，4-1为电子传输层，5-1为金属负极。

图3为钙钛矿材料CH₃NH₃PbI₃薄膜在弯折200次后的扫描电子显微镜图像。

图4为本发明含有聚氨酯材料的CH₃NH₃PbI₃的钙钛矿薄膜在弯折200次后的扫描电子显微镜图像。

图5为本发明在光照强度为AM 1.5G（100 mW/cm²）模拟太阳光下以CH₃NH₃PbI₃和含有聚氨酯材料的CH₃NH₃PbI₃反式钙钛矿太阳能电池的J-V正反扫曲线。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

以下实施例所用的聚氨酯材料结构式如下。

实施例1。钙钛矿太阳能电池的制备方法。

（1）将图形化的ITO玻璃基底1，经丙酮、洗洁精、去离子水、异丙醇超声清洗后，烘干在等离子体清洗机中清洗2~3 min，在基底上制备得到钙钛矿太阳能电池的空穴传输层2。

（2）将聚氨酯材料（按一定浓度溶于DMF）按一定质量浓度加入至CH₃NH₃PbI₃钙钛矿前驱体溶液，并在60℃温度下搅拌1~2 h溶解，混合均匀后旋涂在空穴传输层上，即得到钙钛矿活性层3，所述的转速为5500 rpm，时间30 s，其中旋涂至第7s时滴加氯苯。

（3）将涂完的钙钛矿活性层样品在90℃~120℃下退火 10 min ~ 20 min。

（4）将电子传输层材料PC₆₁BM溶解于氯苯中，溶解后旋涂在钙钛矿活性层上，即得到电子传输层4，所述旋涂转速为2000 rpm，时间为30s。

（4）最后将样品转移到蒸镀设备中，蒸镀100 nm金属银电极5（蒸发速度0.5 nm/s）。

本实施例所述的钙钛矿太阳能电池钙钛矿活性层的制备方法为。

在手套箱中，将聚氨酯材料加到N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中配成浓度为5 mgmL^-1的溶液，60℃磁力搅拌1 h~ 2 h，溶解备用。

将上述聚氨酯溶液按质量浓度0.01 wt% ~ 1wt%加入至钙钛矿前驱体溶液中，60℃磁力搅拌10 min ~ 20 min，形成混合前驱体溶液，备用。在覆盖有NiO_x的ITO玻璃表面，旋涂钙钛矿活性层转速为5500 r/min，时间为30 s，其中旋涂至第7s时滴加氯苯，旋凃完后在氮气或氩气中100℃退火，退火时间为10 min，得到钙钛矿活性层。

该钙钛矿太阳能电池在光照强度为AM 1.5G（100 mW/cm²）模拟太阳光下测试结果如图5所示，其性能如下：开路电压为1.051 V，短路电流22.12 mA/cm²，填充因子80.3%，能量转换效率达到18.7%。

Claims

1.一种耐弯折钙钛矿太阳能电池，包括透明衬底、负极、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层、正极，其特征是所述钙钛矿活性层由钙钛矿材料和添加剂组成；

所述的添加剂为聚氨酯；所述的钙钛矿材料为CH₃NH₃PbI₃、CH₃NH₃PbI_3-xCl_x或(FAPbI₃)_1-x(MAPbBr₃)_x；添加剂聚氨酯按0.01 wt% ~ 5wt%质量浓度添加至钙钛矿前驱体溶液；

所述的太阳能电池为正式结构或反式结构。

2.根据权利要求1所述的耐弯折钙钛矿太阳能电池，其特征是所述的钙钛矿活性层按以下步骤制备：

（1）在手套箱中，将聚氨酯材料加到N,N-二甲基甲酰胺溶剂中配成浓度为5 mg mL^-1~20mg mL^-1的溶液，60℃磁力搅拌1 h~ 2 h，溶解备用；

（2）将上述聚氨酯溶液按质量浓度0.01 wt%~5wt%加入至钙钛矿前驱体溶液中，60℃磁力搅拌10 min~20 min，形成混合前驱体溶液，然后再将上述含有聚氨酯的钙钛矿前驱体溶液旋涂甩干后退火，得到相应钙钛矿活性层。

3.根据权利要求1所述的耐弯折钙钛矿太阳能电池，其特征是所述的聚氨酯为聚酯型聚氨酯、聚醚型聚氨酯、弹性体或热塑弹性体聚氨酯。

4.根据权利要求1所述的耐弯折钙钛矿太阳能电池，其特征是所述的钙钛矿活性层厚度为200 nm~300 nm。

5.权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征是按如下步骤：

正式结构：

（1）将含有ITO或FTO的玻璃基底清洗干净，在基底上制备得到钙钛矿太阳能电池的电子传输层；

（2）将钙钛矿活性层材料溶解后制备在界面层上，得到钙钛矿活性层；

（3）将钙钛矿活性层进行干燥退火；

（4）将空穴传输层材料溶解后旋涂在钙钛矿活性层上；

（5）最后在真空条件下蒸镀一层金属正极；

反式结构：

（1）将含有ITO或FTO的玻璃基底清洗干净，在基底上制备得到钙钛矿太阳能电池的空穴传输层；

（3）将钙钛矿活性层进行干燥退火；

（4）将电子传输层材料溶解后旋涂在钙钛矿活性层上；

（5）最后在真空条件下蒸镀一层金属负极。

6.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征是步骤（2）所述的钙钛矿活性层的制备为一步法、两步沉积法或两步旋涂法，旋涂环境为氮气或氩气。

7.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征是步骤（3）所述退火温度为90℃~120℃，退火时间为10 min ~ 20 min，退火环境为氮气或氩气。