CN108269921B - 一种钙钛矿平面异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钙钛矿平面异质结太阳能电池及其制备制备方法。该太阳能电池包括导电衬底FTO、电子传输层、三维‑二维钙钛矿层、空穴传输层、电极；其中，所述的三维‑二维钙钛矿层均通过气相法制备而成。本发明用三维‑二维钙钛矿层作为吸光层，一方面提高了太阳能电池对湿度和温度稳定性，降低了工艺上对封装的要求，并且减少了有机溶剂的使用。另一方面，此气相法制备的三维‑二维钙钛矿层更具有工业生产的价值，为产业化生产具有高稳定性的钙钛矿太阳能电池提供一种新的思路。

Description

一种钙钛矿平面异质结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳电池制备技术领域，具体涉及一种钙钛矿平面异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机-无机杂化的钙钛矿太阳能电池是近几年来太阳能电池领域的研究热点。由于有机-无机杂化的钙钛矿材料具有较大的吸收系数，较长的载流子寿命以及合适且可调的禁带宽度等优异的性能，使得基于有机-无机杂化的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在短短几年内由3.8％增加到22.7％。钙钛矿的较大系数和较长的载流子寿命使得作为光吸收层的厚度仅仅需要300nm左右，而可以调节的禁带宽度使得钙钛矿材料不仅在太阳能电池的领域得到应用，而且在发光器件上也得到一定的应用。
虽然钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提升非常快，已经接近单晶硅太阳能电池的最高效率，但是阻碍钙钛矿太阳能电池产业化的最大因素是器件的不稳定性。相比起硅基太阳能电池的25年使用寿命，目前钙钛矿太阳能电池的稳定性显得微不足道。钙钛矿太阳能电池的不稳定性主要体现在作为吸光层材料中的有机阳离子(MA+，FA+)具有亲水性，其热稳定性差的特性，导致吸光材料在大气或者升温环境下迅速分解。
为了进一步提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，研究人员针对钙钛矿层稳定性的提高提出了一些方案，如采用无机阳离子Cs+代替部分的MA+、FA+离子，通过调节钙钛矿层的晶格结构趋于更合适的容忍因子使得器件更加稳定；采用有机疏水性长链分子BAI中的BA+阳离子代替部分的MA+离子能有效提高器件的湿度稳定性和热稳定性。在BA+离子和Cs+离子上的引进方面，通过将BAI，FAI，CsI等与PbBr2和PbI2按一定的比例溶解在DMF等有机溶剂中，制备的钙钛矿太阳能电池具有良好的稳定性，但其制备方法复杂。
目前采用BA+阳离子代替MA+离子的方法均是通过溶液法实现，溶液法制备过程中引进的有机溶剂如DMSO，GBL，DMF对钙钛矿的成膜质量有诸多不确定性影响，而更为不利的是，这些溶剂均存在一定程度的毒性，如果后续处理不当，大规模应用必将导致严重的环境问题。
因此，针对上述存在的问题，有必要提出更优化的解决方案。
发明内容
为了避免钙钛矿薄膜制备过程中有机溶剂的引入，进一步提高钙钛矿平面异质结太阳能电池的稳定性，本发明的首要目的在于提供一种通过气相法引入有机疏水性BAI基团，实现一种无溶液、高稳定性的钙钛矿活性层的制备方法。该方法除了无溶剂的优点外，还符合真空半导体薄膜工业化生产的工艺要求，且具备大面积生产的潜力。
本发明的另一目的在于提供一种简单的由三维和二维钙钛矿材料构成的平面异质结构太阳能电池的制备方法以及一种性能稳定的钙钛矿平面异质结太阳能电池，相比于纯三维钙钛矿平面异质结太阳能电池，可以获得高温、高湿度下的稳定电池性能，且本结构更简单而容易控制。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种钙钛矿平面异质结太阳能电池，其包括，包含有FTO的基底，位于所述基底上的电子传输层，位于所述电子传输层上的空穴传输层，以及位于所述空穴传输层上的电极，位于所述电子传输层与所述空穴传输层之间三维-二维钙钛矿层。
进一步的，所述电子传输层为TiO2；
进一步的，所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD；
其钙钛矿平面异质结太阳能电池是基于下述方法来实现的，
一种钙钛矿平面异质结太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将FTO/电子传输层置于金属热蒸发镀膜机中，蒸镀得到PbI2膜层，所述膜层的厚度为150-220nm；
将蒸镀所得的PbI2倒置在盛有MAI粉末的条形瓷方舟上，放进真空烘箱中，进行130-180℃的热处理，使之反应形成钙钛矿薄膜；
将所述钙钛矿薄膜倒置在盛有BAI的条形瓷方舟上，放进真空烘箱中，进行120-150℃的热处理，使之反应形成具有高稳定性的三维-二维钙钛矿薄膜；待其钙钛矿薄膜冷却后用异丙醇清洗，之后加热除去残余的异丙醇；
冷却后旋涂空穴传输层，最后蒸镀金电极。
进一步的，所述电子传输层为TiO2。
进一步的，在蒸镀PbI2之前，所述FTO依次经过洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗。
进一步的，所述MAI粉末的量为70-150mg。
进一步的，所述BAI的量大于50mg。
进一步的，所述异丙醇为无水级，所述清洗为旋涂清洗，转速为5000rpm/min，清洗时间为30s。
进一步的，所用空穴传输层为Spiro-OMeTAD。
上述过程的蒸镀均为热蒸发，蒸镀的压强小于10-4pa。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明相比起传统的旋涂法，钙钛矿吸光层的制备不使用有机溶剂，这不仅减少制备钙钛矿平面异质结太阳能电池的材料消耗成本，还省去了有机废液的处理成本，而且避免了对环境造成的污染。除此之外，引进有机疏水基团BAI也采用气相法制备，同样避免了溶液引入，有效的提高了器件的稳定性。同时相比起旋涂法的一片一片旋涂，此方法可同时制备多个器件，通过生产效率，且反应均匀，解决了旋涂法边角与中间厚度不同的问题。有利于大面积器件的制备。
相比于传统的三维钙钛矿结构，本发明给出的FTO/TiO2/3D-Perovskite/2D-perovskite/Spiro-OMeTAD/Au平面异质结结构，在3D-perovskite和空穴传输层Spiro-OMeTAD之间插入了2D-perovskite。2D结构具有疏水特性和热稳定性，该层起到了阻挡水汽进入作用。另外在水或者热处理作用下，该形成的2D结构可以通过和3D结构进行缓慢反应，形成更多的2D结构从而避免钙钛矿结构向PbI2的分解，从而提高吸收层对湿度和温度的稳定性。
附图说明
图1为三维-二维平面异质结钙钛矿平面异质结太阳能电池的器件结构示意图。
图2为不同BAI处理时间的XRD图。
图3为不同BAI处理时间的紫外-可见吸收光谱图。
图4为不同BAI处理时间的光致发光光谱。
图5为不同BAI处理时间的效率统计结构。
图6为无处理器件和BAI处理时间为10min器件的效率对比图。
图7为无处理器件和BAI处理时间为10min器件的湿度稳定性对比。
图8为无处理器件和BAI处理时间为10min器件的热稳定性对比。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
基于气相法的不同时间BAI蒸汽处理MAPbI3薄膜制备高稳定性钙钛矿平面异质结太阳能电池。
将方阻为15Ω/□、面积为15mm×15mm的FTO基底用锌粉和稀盐酸刻蚀出面积为5mm×15mm的长方形作为电池阳极的测试端。将刻蚀好的FTO基底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇进行超声清洗，其超声清洗的时间各为15min。清洗完成的FTO基底用N2气吹干，用耐高温胶带遮盖3mm×15mm的面积形成掩膜，掩膜的位置跟刻蚀部分正交，且都处于衬底的边缘，以用作电池的公共电极。
然后将基底放在O2等离子清洗机中进行时间为15min，气压为70Pa，功率为85W的O2等离子体处理。等离子处理完成之后旋涂TiO2的前驱液，旋涂的参数为5000rpm/min。之后，将掩膜撕去，放进500℃的退火炉中进行30min的退火处理，形成致密的TiO2薄膜，作为电子传输层。
待退火温度降到80℃左右，将其基底转移至镀膜机中，待镀膜机抽至气压为5×10-4pa以下开始蒸镀PbI2，蒸镀的速率为
Figure BDA0001566471200000051
厚度为150-220nm，此时薄膜为黄色。
优选的，所述蒸镀PbI2的厚度为150nm。
蒸镀完成后，将其基底倒扣在盛有MAI粉末70-150mg的条形瓷方舟中，放进真空烘箱，抽气10min至气压约为10kPa，开始加热，加热条件为130-180℃、15-35min，MAI蒸发，并与PbI2反应，形成MAPbI3的三维钙钛矿反应完成后可以看到薄膜颜色由黄色变成黑色。
优选的，所述加热条件为130℃、35min。
此时从附图2可以看出PbI2的峰不存在，钙钛矿的峰位突出。说明PbI2完全转化成钙钛矿。将获得钙钛矿薄膜的基底转移到手套箱中，待薄膜冷却至室温后，将其基底倒扣在盛有BAI粉末大于50mg的条形瓷方舟。放进真空烘箱，抽气10min至气压为10kPa。加热温度均为120-150℃，加热时间为10-60min，蒸发BAI，BAI蒸汽与MAPbI3反应，从而在其基底表面形成富含BAI的二维钙钛矿层，其反应方程为：MAnPbnI3n+2BAI→BA2MAn-1PbnI3n+1+MAI，其中n＝1。
优选的，所述BAI粉末的量为50mg。
优选的，所述加热温度为120℃，所述加热时间为10min。
优选的，所述加热时间为20min。
优选的，所述加热时间为40min。
优选的，所述加热时间为60min。
之后，待其基底冷却后，将钙钛矿薄膜用100uL的无水异丙醇清洗，清洗主要目的是去除表面残余的BAI。之后加热100℃、10min进行退火处理，去除异丙醇。退火冷却后，于手套箱中通过旋涂法旋涂20μL的Spiro-OMeTAD，作为空穴传输层。旋涂完成之后放进湿度为10％左右的干燥箱，氧化20小时，增强Spiro-OMeTAD的导电性。之后，将器件放进热蒸发镀膜机中，抽气至气压为10-4pa以下，蒸镀80nm厚度的Au电极。完成器件的制备。
图1给出了本发明钙钛矿平面异质结太阳能电池的结构示意图，所述钙钛矿平面异质结太阳能电池包括，包含有FTO的基底，位于所述基底上的电子传输层，位于所述电子传输层上的空穴传输层，以及位于所述空穴传输层上的电极，位于所述电子传输层与所述空穴传输层之间三维-二维钙钛矿层，所述电子传输层为TiO2，所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD。
性能测试
对不同时间BAI处理的基底，测其XRD曲线、紫外-可见吸收光谱图以及紫外-可见吸收光谱图，图2为不同时间BAI处理的XRD曲线，图中主要对比2θ＜10°的峰位，随着反应时间的增加，新的衍射峰2θ＝4.7°，6.7°的出现说明BAI的进入形成新的晶面。由图3可以得知，主要对比随着反应时间的增加，新的吸收峰515nm处和570nm的形成，说明BAI进入MAPbI3的结构中。由图4可以得知，随着时间的增强，新的峰位越来越明显，而无处理的在577nm和614nm处没有发射峰。随着处理时间的增加，其器件的光电转换效率逐步降低。为了尽可能的保持器件的效率同时改善器件的稳定性，反应时间不应过长。优选BAI的反应时间为10min，此时器件的效率仅降低1.4％且其稳定性有较大的提升，参见附图5-6。
器件制备完成后，进行器件性能的测试，效率测试：在AM 1.5，100mW/cm2的太阳能模拟器下测量J-V曲线，见附图6。稳定性测试：将器件分别放在湿度为50％的干燥箱和温度为80℃的热炉中储存。每种器件2-3天测量一次。
湿度稳定性测试：将器件储存在大气环境下，湿度为50％左右，波动不超过5％。从附图7中可以看到，经过处理的器件，在储存30天后效率维持在原来的82％，而没经过BAI处理的器件在经过13天效率就降至原来的41％。热稳定性测试：将器件储存在大气环境下，温度为80℃，波动不超过1℃。参见附图8，经过处理的器件，在储存30天后效率维持在原来的74％，，而没经过处理的器件在11天效率就降至原来的30％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钙钛矿平面异质结太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将FTO/电子传输层置于金属热蒸发镀膜机中，蒸镀得到PbI2膜层，所述膜层的厚度为150-220nm；
将蒸镀所得的PbI2倒置在盛有MAI粉末的条形瓷方舟上，放进真空烘箱中，进行130-180℃的热处理，使之反应形成钙钛矿薄膜；
将所述钙钛矿薄膜倒置在盛有BAI的条形瓷方舟上，放进真空烘箱中，进行120-150℃的热处理，使之反应形成具有高稳定性的三维-二维钙钛矿薄膜；待其钙钛矿薄膜冷却后用异丙醇清洗，之后加热除去残余的异丙醇；
冷却后旋涂空穴传输层，最后蒸镀金电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述电子传输层为TiO2。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在蒸镀PbI2之前，所述FTO依次经过洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述MAI粉末的量为70-150mg。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述BAI的量大于50mg。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述异丙醇为无水级，所述清洗为旋涂清洗，转速为5000rpm/min，清洗时间为30s。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所用空穴传输层为Spiro-OMeTAD。
8.一种根据权利要求1至7任一项所述方法制备的钙钛矿平面异质结太阳能电池，其包括，包含有FTO的基底，位于所述基底上的电子传输层，位于所述钙钛矿层上的空穴传输层，以及位于所述空穴传输层上的电极，其特征在于：位于所述电子传输层与所述空穴传输层之间三维-二维钙钛矿层。
9.根据权利要求8所述的钙钛矿平面异质结太阳能电池，其特征在于：所述电子传输层为TiO2。
10.根据权利要求8所述的钙钛矿平面异质结太阳能电池，其特征在于：所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD。
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