CN107910444A - 钙钛矿太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钙钛矿太阳电池,该钙钛矿太阳电池包括用于产生电子空穴对的光活性层和用于传输所述空穴的空穴传输层,所述空穴传输层包括硒单质、碲单质、硒碲合金或硒碲叠层物。本发明提出的技术方案中,将无机材料硒和碲应用于钙钛矿太阳电池的空穴传输层,取代有机空穴传输材料,可以降低器件的制作成本,提高器件的稳定性,并且提高载流子传输能力,获得较好的器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件技术领域,尤其涉及一种钙钛矿太阳电池。
背景技术
面临严峻的能源形势和生态环境的恶化,改变现有能源结构、发展可持续发展的绿色能源已成为世界各国极为关注的课题。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的绿色能源,越来越受到人类的重视。基于光伏效应的太阳电池是一种主要的太阳能利用方式。
目前商业化的太阳电池主要为硅基和无机薄膜太阳电池。硅基太阳电池虽然具有很高的转化效率,成本也在逐渐降低,但是晶体硅的冶炼过程非常复杂,并且硅基电池较厚(200μm左右),用料较多,因而成本的下降空间有限。无机薄膜电池虽然膜厚小(1-2μm),具有一定的材料成本优势,但是由于需要在高真空环境下对其进行制备,制备工艺复杂,成本较高。
钙钛矿太阳电池是一种可溶液加工的太阳电池,不需要在真空条件下制备,因而与硅基电池和无机薄膜电池相比具有更大的成本优势。此外钙钛矿太阳电池在近年来发展迅速,实验室最高效率已经达到22.1%,说明钙钛矿太阳电池具有很好的产业化前景。
在钙钛矿太阳电池中,目前所使用的空穴传输材料局限于spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS等有机材料。有机空穴传输层材料的空穴迁移率普遍较低,且制备工艺复杂,价格昂贵,限制了钙钛矿太阳电池的制作成本。此外有机空穴传输层材料往往稳定性较差,对器件的稳定性带来了不利的影响。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种钙钛矿太阳电池,旨在解决现有钙钛矿太阳电池由于使用有机空穴传输层材料所导致的制作成本高、器件的稳定性差的技术问题。
为实现上述目的,本发明提供的钙钛矿太阳电池包括用于产生电子空穴对的光活性层和用于传输所述空穴的空穴传输层,所述空穴传输层包括硒单质、碲单质、硒碲合金或硒碲叠层物。
优选地,所述钙钛矿太阳电池包括依次设置的基底、透明金属氧化物电极层、电子传输层、所述光活性层、所述空穴传输层和金属电极层。
优选地,所述钙钛矿太阳电池包括依次设置的基底、透明金属氧化物电极层、所述空穴传输层、所述光活性层、电子传输层和金属电极层。
优选地,所述空穴传输层的厚度为10-3000nm。
优选地,所述基底材料为玻璃、石英、柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯或柔性聚萘二甲酸乙二醇酯。
优选地,所述透明金属氧化物电极层材料为氧化铟锡或掺氟氧化锡。
优选地,所述光活性层为第一化合物和第二化合物的共混物,所述第一化合物为含卤素的有机盐或无机盐,所述第二化合物为含卤素的无机盐。
优选地,所述第一化合物包括CH3NH3I、CH3NH3Br、CH3NH3Cl、CH3CH2NH3I、CH3CH2NH3Br、CH3CH2NH3Cl、CH3CH2CH2NH3I、CH3CH2CH2NH3Br、CH3CH2CH2NH3Cl、CsI、CsBr、CsCl、CH(NH2)2I、CH(NH2)2Br、CH(NH2)2Cl、CH3CH(NH2)2I、CH3CH(NH2)2Br或CH3CH(NH2)2Cl中的至少一种。
优选地,所述第二化合物包括PbI2、PbBr2、PbCl2、SnI2、SnBr2或SnCl2中的至少一种。
优选地,所述电子传输层材料为富勒烯、富勒烯的衍生物或金属氧化物。
本发明提出的技术方案中,采用无机材料硒、碲替代有机空穴传输材料作为钙钛矿太阳电池的空穴传输层材料,可以降低钙钛矿太阳电池的制作成本。与有机空穴传输材料相比,无机材料硒、碲单质、硒碲合金或硒碲叠层物的稳定性更好,可以提高钙钛矿太阳电池的稳定性;而且,单质硒和碲的载流子传输能力高,可以提高钙钛矿太阳电池的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为常规结构钙钛矿太阳电池的器件示意图;
图2为常规结构使用spiro-OMeTAD和Se作为空穴传输层的器件的电流-电压曲线;
图3为常规结构使用spiro-OMeTAD和Se作为空穴传输层的器件置于相对湿度30%,温度50℃的环境中的效率衰减情况图;
图4为常规结构使用碲作为空穴传输层的器件置于相对湿度30%,温度50℃的环境中的效率衰减情况图;
图5为常规结构使用硒碲叠层物作为空穴传输层的器件置于相对湿度30%,温度50℃的环境中的效率衰减情况图;
图6为反置结构钙钛矿太阳电池的器件示意图;
图7为反置结构使用PEDOT:PSS和硒碲合金作为空穴传输层的器件的电流-电压曲线;
图8为反置结构使用PEDOT:PSS和硒碲合金作为空穴传输层的器件置于相对湿度30%,温度50℃的环境中的效率衰减情况图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明,本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“连接”、“固定”等应做广义理解,例如,“固定”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外,本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1:一种单质硒为空穴传输层的常规结构钙钛矿太阳电池
选用FTO玻璃作为基底,进行刻蚀和清洗后,用溶胶-凝胶法旋涂一层30nm的TiO2作为电子传输层。需要说明的是,FTO玻璃为掺杂氟的SnO2导电玻璃,其既作为基底,又作为透明金属氧化物电极层。基底材料还可以是白玻璃、石英、柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯或柔性聚萘二甲酸乙二醇酯。透明金属氧化物电极层材料可以为氧化铟锡或掺氟氧化锡。电子传输层材料还可以为富勒烯、富勒烯的衍生物或不限于TiO2的金属氧化物。
将摩尔比3:1的CH3NH3I和PbCl2溶于二甲基甲酰胺(DMF)中,配置成0.88mol/L浓度的CH3NH3PbI3-xClx前驱体溶液。取钙钛矿前驱体溶液在3000rpm的转速下旋涂在TiO2层上,100℃退火90min。冷却后蒸镀一层3000nm厚的硒薄膜。最后蒸镀一层100nm厚的Au电极,从而得到一个完整的钙钛矿器件,器件结构请参照图1。需要说明的是,本实施例中采用CH3NH3I和PbCl2作为光活性层的材料,也可以使用第一化合物和第二化合物的共混物,其中第一化合物为含卤素的有机盐或无机盐,第二化合物为含卤素的无机盐。优选地,第一化合物包括CH3NH3Br、CH3NH3Cl、CH3CH2NH3I、CH3CH2NH3Br、CH3CH2NH3Cl、CH3CH2CH2NH3I、CH3CH2CH2NH3Br、CH3CH2CH2NH3Cl、CsI、CsBr、CsCl、CH(NH2)2I、CH(NH2)2Br、CH(NH2)2Cl、CH3CH(NH2)2I、CH3CH(NH2)2Br或CH3CH(NH2)2Cl中的至少一种;第二化合物包括PbI2、PbBr2、SnI2、SnBr2或SnCl2中的至少一种。另外,Au电极只是金属电极层材料的一种,金属电极层材料还可以为银、铝、铜或者这些金属的合金。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下,测试上述器件的电流-电压曲线,请参照图2,图2中还显示了采用同样的工艺,仅改变空穴传输层为spiro-OMeTAD的器件的电流-电压曲线。
可以发现,用Se替换spiro-OMeTAD作为空穴传输层,器件的开路电压和效率有所提高,具体参数请参照表1。
表1 使用spiro-OMeTAD和Se作为空穴传输层的器件的具体参数
将spiro-OMeTAD和Se作为空穴传输层的器件置相对湿度30%,温度50℃的环境中放置40天,效率衰减情况图请参照图3。spiro-OMeTAD作为空穴传输层的器件放置20后,效率衰减为不到原来的30%。Se作为空穴传输层的器件放置40天后,仍然可以保有80%的效率。
实施例2:一种单质碲为空穴传输层的常规结构钙钛矿太阳电池
选用FTO玻璃作为基底,进行刻蚀和清洗后,用溶胶-凝胶法旋涂一层30nm的TiO2作为电子传输层。将摩尔比3:1的CH3NH3I和PbCl2溶于二甲基甲酰胺(DMF)中,配置成0.88mol/L浓度的CH3NH3PbI3-xClx前驱体溶液。取钙钛矿前驱体溶液在3000rpm的转速下旋涂在TiO2层上,100℃退火90min。冷却后蒸镀一层1000nm厚的碲薄膜。最后蒸镀一层100nm厚的Au电极,从而得到一个完整的钙钛矿器件。将器件置相对湿度30%,温度50℃的环境中放置40天,效率衰减情况图请参照图4。可以发现,Te作为空穴传输层的器件放置35天后,仍然可以保有约70%的效率,衰减速度远小于spiro-OMeTAD作为空穴传输层的器件。
实施例3:一种硒碲叠层物为空穴传输层的常规结构钙钛矿太阳电池
选用FTO玻璃作为基底,进行刻蚀和清洗后,用溶胶-凝胶法旋涂一层30nm的TiO2作为电子传输层。将摩尔比3:1的CH3NH3I和PbCl2溶于二甲基甲酰胺(DMF)中,配置成0.88mol/L浓度的CH3NH3PbI3-xClx前驱体溶液。取钙钛矿前驱体溶液在3000rpm的转速下旋涂在TiO2层上,100℃退火90min。冷却后,先蒸发一层10nm的碲薄膜,再蒸发一层300nm的硒薄膜,100℃退火30min。最后蒸镀一层100nm厚的Au电极,从而得到一个完整的钙钛矿器件。将器件置相对湿度30%,温度50℃的环境中放置40天,效率衰减情况图请参照图5。硒碲叠层物作为空穴传输层的器件放置35天后,仍然可以保有约68%的效率,衰减速度远小于spiro-OMeTAD作为空穴传输层的器件。
实施例4:一种硒碲合金为空穴传输层的反置结构钙钛矿太阳电池
选用ITO玻璃作为基底,进行刻蚀和清洗后,用热蒸发法分别沉积上一层10nm厚的硒薄膜和10nm厚的碲薄膜,300℃退火30min形成硒碲合金,作为空穴传输层。将摩尔比3:1的CH3NH3I和PbCl2溶于二甲基甲酰胺(DMF)中,配置成0.88mol/L浓度的CH3NH3PbI3-xClx前驱体溶液,在2000rpm的转速下旋涂在硒碲合金层上。旋涂一层富勒烯的衍生物PCBM,作为电子传输层。最后蒸镀一层100 nm Ag电极。器件结构请参照图6。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下,测试该器件的电流-电压曲线,请参照图7。图7中还显示了采用同样的工艺,仅改变空穴传输层为PEDOT:PSS的器件的电流-电压曲线。
可以发现,用硒碲合金替换PEDOT:PSS作为空穴传输层,器件的短路电流和效率有所提高,具体参数请参照表2。
表2 使用PEDOT:PSS和硒碲合金作为空穴传输层的器件的具体参数
将PEDOT:PSS和硒碲合金作为空穴传输层的器件置相对湿度30%,温度50℃的环境中放置20天,效率衰减情况图请参照图8。PEDOT:PSS作为空穴传输层的器件放置10天后,效率衰减为不到原来的10%。硒碲合金作为空穴传输层的器件放置20天后,效率衰减为原来的28%。用硒碲合金替换PEDOT:PSS作为空穴传输层,器件的稳定性有显著提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的构思下,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种钙钛矿太阳电池,其特征在于,包括用于产生电子空穴对的光活性层和用于传输所述空穴的空穴传输层,所述空穴传输层包括硒单质、碲单质、硒碲合金或硒碲叠层物。
2.如权利要求1所述的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述钙钛矿太阳电池包括依次设置的基底、透明金属氧化物电极层、电子传输层、所述光活性层、所述空穴传输层和金属电极层。
3.如权利要求1所述的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述钙钛矿太阳电池包括依次设置的基底、透明金属氧化物电极层、所述空穴传输层、所述光活性层、电子传输层和金属电极层。
4.如权利要求2或3所述的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述空穴传输层的厚度为10-3000nm。
5.如权利要求2或3所述的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述基底材料为玻璃、石英、柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯或柔性聚萘二甲酸乙二醇酯。
6.如权利要求2或3所述的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述透明金属氧化物电极层材料为氧化铟锡或掺氟氧化锡。
7.如权利要求2或3所述的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述光活性层为第一化合物和第二化合物的共混物,所述第一化合物为含卤素的有机盐或无机盐,所述第二化合物为含卤素的无机盐。
8.如权利要求7所述的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述第一化合物包括CH3NH3I、CH3NH3Br、CH3NH3Cl、CH3CH2NH3I、CH3CH2NH3Br、CH3CH2NH3Cl、CH3CH2CH2NH3I、CH3CH2CH2NH3Br、CH3CH2CH2NH3Cl、CsI、CsBr、CsCl、CH(NH2)2I、CH(NH2)2Br、CH(NH2)2Cl、CH3CH(NH2)2I、CH3CH(NH2)2Br或CH3CH(NH2)2Cl中的至少一种。
9.如权利要求7所述的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述第二化合物包括PbI2、PbBr2、PbCl2、SnI2、SnBr2或SnCl2中的至少一种。
10.如权利要求2或3所述的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述电子传输层材料为富勒烯、富勒烯的衍生物或金属氧化物。
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