CN109037456A - 一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：将透明电极/玻璃基片依次放入去离子水、丙酮、乙醇中进行超声波清洗，干燥后进行臭氧等离子体清洗；在基片上依次以旋涂法制备空穴传输层、吸光层和电子传输层，在每层制成后均做热退火处理；最后，在真空镀腔中，通过热蒸发的方式在电子传输层上依次沉积空穴阻挡层和顶电极。其中，吸光层通过旋涂前驱体溶液来制备，前驱体溶液是由甲基碘化胺(MAI)与醋酸铅(Pb(Ac)2)以3:1的摩尔比共溶于二甲基甲酰胺（DMF）中制成。本发明在前驱体溶液中按照设定比例加入二甲基亚砜（DMSO）改善了吸光层薄膜的形貌，提高了钙钛矿太阳能电池的短路电流和填充因子，实现了器件能量转换效率的提升。

Description

一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，尤其涉及一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
随着光电领域的蓬勃发展，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSCs）的高能量转换效率（Power Conversion Efficiency，PCE）、低成本制造工艺以及与柔性技术的兼容性等特性完全符合商业要求，因此吸引了全世界的关注，并引发了许多研究兴趣。近几年钙钛矿太阳能电池的能量转换效率已经超过20%，接近商业化硅基太阳能电池的能量转换效率。这可归因于钙钛矿的独特性质，例如大的载流子迁移率和长的载流子扩散长度。
由于钙钛矿太阳能电池器件是钙钛矿吸光层夹在电子传输层（ElectronicTransport Layer，ETL）和空穴传输层（Hollow transport layer，HTL）之间的夹层结构，吸光层的形貌处于至关重要的地位，平整且晶界少的吸光层往往能够减少器件内的复合损耗，降低器件串联电阻，提高填充因子，从而大幅增大钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，该方法能够有效改善吸光层薄膜的形貌，提高钙钛矿太阳能电池的短路电流和填充因子，实现了器件的零迟滞。具体技术方案如下：
一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述方法包括步骤：
将透明电极/玻璃基片依次放入去离子水、丙酮、乙醇中进行超声波清洗，干燥后进行臭氧等离子体清洗；
设定旋涂速度，在基片上旋涂溶液成膜作为空穴传输层，并在设定温度下对形成的空穴传输层进行退火处理；
在空穴传输层上旋涂前驱体溶液，形成吸光层薄膜，并在旋涂完成后进行退火处理；
在吸光层上按预设的转速旋涂电子传输材料的溶液，形成薄膜后放置在设定温度的热台上进行退火处理；
在真空镀腔中，通过热蒸发的方式在电子传输层上依次沉积空穴阻挡层和顶电极；
其中，所述前驱体溶液是将甲基碘化胺(MAI) 与醋酸铅( Pb(Ac)2)以3:1的摩尔比共溶于二甲基甲酰胺（DMF）中制成，并在所述前驱体溶液按照设定的体积比混入二甲基亚砜（DMSO）。
进一步的，所述衬底在所述去离子水、丙酮、乙醇中各进行10 min~20 min的超声波清洗，在所述臭氧等离子体清洗3~5 min。
进一步的，所述透明电极为铟锡氧化物（ITO）、氟锡氧化物（FTO）、铝锌氧化物（AZO）或其他透明导电材料。
进一步的，所述空穴传输层由具有较高空穴迁移率的材料制成。
进一步的，所述电子传输层由具有较高电子迁移率的材料制成。
进一步的，所述空穴阻挡层由具有较高电子迁移率与较低最高电子占有轨道（HOMO）能级的材料制成。
进一步的，所述顶电极为具有较高功函数的材料。
本发明的零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，在透明电机衬底经过离子水、丙酮、乙醇超声波清洗后进行干燥，并再次使用臭氧等离子体清洗后，依次在透明电机衬底上设置不同的旋涂速度旋涂制备空穴传输层、吸光层和电子传输层，其中，吸光层由甲基碘化胺(MAI) 和醋酸铅( Pb(Ac)2)以3:1的摩尔比共溶于二甲基甲酰胺（DMF）中制成的前驱体溶液旋涂制成，且在前驱体溶液中按照设定体积比的添加二甲基亚砜（DMSO），以此来改善吸光层的形态；再依次在所述吸光层上通过热蒸发的方式形成电子传输层并沉积形成顶电极；与现有技术相比，本发明改善了钙钛矿太阳能电池中吸光层表面形貌，减少钙钛矿的晶界，减少了载流子的复合损耗，从而提高了钙钛矿太阳能电池的填充因子和短路电流，提升了钙钛矿太阳能电池的能量转换效率，并且降低了器件的迟滞效应。
附图说明
图1为本发明实施例中所述零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法的流程框图示意；
图2为本发明实施例中所述零迟滞高效钙钛矿太阳能电池与未添加DMSO的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度曲线对比图示意；
图3为本发明实施例中所述零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的结构图示意。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。
本发明提供了一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池，其中，钙钛矿太阳能电池器件结构如图3所示。钙钛矿太阳能电池器器件包括依次叠层的衬底1、透明电极层2、空穴传输层3、吸光层4、电子传输层5、空穴阻挡层6以及顶电极7；吸光层4夹在空穴传输层3和电子传输层5之间。本发明中零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法通过在吸光层4的前驱体溶液中添加一定量的DMSO，改善了其形貌，减少了钙钛矿薄膜中的晶界，从而提高了钙钛矿太阳能电池的器件性能；基于上述的零迟滞高效钙钛矿太阳能电池，本发明提供一种制备所述零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的方法，参阅图1，该方法具体包括步骤：
首先，将透明电极/玻璃基片依次放入去离子水、丙酮、乙醇中进行超声波清洗，干燥后进行臭氧等离子体清洗。具体的，为了保证钙钛矿太阳能电池的性能，需要预先对基片进行清洗，以去除基片上残留的各种杂质和污染物：首先，将基片依次放入去离子水、丙酮和乙醇等液体中进行超声波清洗，在每种液体中的清洗时间为10 min~20 min，具体清洗时间可根据实际情况进行操作，本实施例优取清洗时间为20 min；然后将清洗后的透明电极衬底进行干燥处理，例如氮气吹或加热；最后，再次进行臭氧等离子体清洗以去除表面残留的有机物。在本发明中，在液体中清洗、干燥处理以及在臭氧等离子体中清洗的时间可根据实际情况进行设定，本发明对此并不进行限制和固定。上述处理有利于后续空穴传输层的制备。
优选的，在发明中透明电极可以由铟锡氧化物（ITO）、氟锡氧化物（FTO）、铝锌氧化物（AZO）或其他透明导电材料制备形成。
然后，采用旋涂的方式，选取一个特定的旋涂速度在衬底上旋涂溶液成膜制备空穴传输层，并在设定温度下对形成的空穴传输层进行退火处理。其中，空穴传输层由具有较高空穴迁移率的材料制成，可以是有机材料，也可以是无机材料。其中，有机材料可以是Spiro-MeOTAD、P3HT、PTAA、NPB等。无机材料可以是氧化铜、氧化亚铜、氧化镍等。本发明对此并未明确进行规定，可由实验环境及实验的最终目等条件允许的情况进行选择。
例如，以氧化镍制备空穴传输层进行具体说明，可将旋涂速度设定为4000 rpm，将退火温度设定为130 ℃，且退火时间为10 min，形成20 nm厚度的氧化镍薄膜，即空穴传输层。当然，本发明对上述具体的操作环境数据以及空穴传输层的厚度大小并未进行限制和固定，可根据实际情况进行设定。
接着，在空穴传输层上旋涂前驱体溶液，形成吸光层薄膜，并在旋涂完成后进行退火处理。本发明以具有钙钛矿结构的光伏材料制备吸光层，具体的，由甲基碘化胺(MAI) 与醋酸铅( Pb(Ac)2)以3:1的摩尔比共溶于二甲基甲酰胺（DMF）中制成的前驱体溶液，且为了改善吸光层形貌与减少钙钛矿晶界，本发明在所述前驱体溶液中加入了指定体积比的二甲基亚砜（DMSO），随后采用旋涂的方式制备形成吸光层。
优选的，前驱体溶液中加入体积比为3%的二甲基亚砜（DMSO），吸光层的制备采用的旋涂转速为6000 rpm，旋涂时间为30 s，并在旋涂后将基片放置在100 ℃热台上退火10min，最终形成厚度为200 nm的吸光层。当然，上述操作的具体数据都可以根据实际情况进行改进，使得最终制备形成的吸光层具有最佳的工作效果。
随后，在吸光层上按预设的转速旋涂电子传输材料的溶液，形成薄膜后放置在设定温度的热台上进行退火处理.其中，电子传输层为具有高电子迁移率的材料制备而成，在本发明实施例中优选PC61BM，具体制备方法如下：以1500 rpm的转速旋涂PC61BM溶液30 s，形成本发明所需的电子传输层；然后，放置在70 ℃的热台上进行退火处理，退火时间为20min；最终，本发明形成的电子传输层薄膜厚度为40 nm；在其他实施例中，旋涂速度、退火热台的温度以及退火的时间均可以根据实际情况进行设定。
此外，在本发明的其他实施例中，电子传输层也可以选用金属氧化物或C60等材料制备，或者通过蒸镀的方式制备，具体如何选择，可根据实际情况进行选取。
最后，在真空镀腔中，通过热蒸发的方式在电子传输层上依次沉积空穴阻挡层和顶电极；其中，空穴阻挡层由具有较高电子迁移率与较低HOMO能级的材料制备而成，顶电极由具有较高功函数的材料制备而成。
优选的，空穴传输层为厚度10 nm的BCP，顶电极为厚度150 nm的Ag通过热蒸发沉积制成。热蒸发沉积过程中，保持真空镀腔的气压为3×10-4 Pa。最后，形成有效面积为0.096 cm2的电池器件。当然，上述数据仅为本实施例的具体数据，本发明的其他实施例可选择其他的数据进行电池顶电极的制备。
参阅图2，图示为本发明的零迟滞高效钙钛矿太阳能电池与对比钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度曲线的比较图，从中可以明显看出，相较于现有的钙钛矿太阳能电池，本发明提供的钙钛矿太阳能电池经过DMSO添加的吸光层改性后，有效提高了电池的短路电流与填充因子，实现了能量转换效率的提高。
本发明的零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，是将透明电极/玻璃基片经过离子水、丙酮、乙醇超声波清洗后进行干燥处理，并进一步进行臭氧等离子体清洗后，依次在基片上以旋涂工艺制备空穴传输层、吸光层和电子传输层，最后沉积空穴阻挡层和顶电极。其中，吸光层是通过旋涂由甲基碘化胺(MAI) 和醋酸铅( Pb(Ac)2)以3:1的摩尔比共溶于二甲基甲酰胺（DMF）中制成的前驱体溶液制成。通过在前驱体溶液中按照设定体积比添加二甲基亚砜（DMSO），改善了吸光层的形貌。与现有技术相比，本发明改善了钙钛矿太阳能电池中吸光层表面形貌，减少钙钛矿的晶界，减少了载流子的复合损耗，从而提高了钙钛矿太阳能电池的填充因子和短路电流，提升了钙钛矿太阳能电池的能量转换效率，实现了器件的零迟滞。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将透明电极/玻璃基片依次放入去离子水、丙酮、乙醇中进行超声波清洗，干燥后进行臭氧等离子体清洗；
设定旋涂速度，在衬底上旋涂溶液成膜作为空穴传输层，并在设定温度下对形成的空穴传输层进行退火处理；
在空穴传输层上旋涂前驱体溶液，形成吸光层薄膜，并在旋涂完成后进行退火处理；
在吸光层上按预设的转速旋涂电子传输材料的溶液，形成薄膜后放置在设定温度的热台上进行退火处理；
在真空镀腔中，通过热蒸发的方式在电子传输层上依次沉积空穴阻挡层和顶电极；
其中，所述前驱体溶液是将甲基碘化胺与醋酸铅以3:1的摩尔比共溶于二甲基甲酰胺中制成，并在所述前驱体溶液按照设定的体积比混入二甲基亚砜。
2.根据权利要求1所述的一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述基片在所述去离子水、丙酮、乙醇中各进行10 min~20 min的超声波清洗，在所述臭氧等离子体清洗3~5 min。
3.根据权利要求1所述的一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述透明电极为铟锡氧化物、氟锡氧化物、铝锌氧化物或其他透明导电材料。
4.根据权利要求1所述的一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述空穴传输层由具有较高空穴迁移率的材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述电子传输层由具有较高电子迁移率的材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述空穴阻挡层由具有较高电子迁移率与较低最高电子占有轨道能级的材料制成。
7.根据权利要求1~6任一项所述一种零迟滞高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述顶电极为具有较高功函数的材料。
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