CN109065723A - 一种基于添加剂提升太阳能电池开路电压的方法 - Google Patents

一种基于添加剂提升太阳能电池开路电压的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于添加剂提升太阳能电池开路电压的方法，该方法是以含钙钛矿材料的太阳能电池为对象，具体是向该太阳能电池的钙钛矿材料中掺杂添加剂，所述添加剂为含有胍基离子和卤素离子的添加剂。本发明通过对添加剂的具体种类等进行改进，以盐酸胍或碘酸胍作为添加剂，并优选对添加剂的添加量进行控制，与现有技术相比可有效提升太阳能电池的开路电压，本发明通过向太阳能电池内的钙钛矿材料中引入添加剂，可钝化器件内部缺陷，减少载流子损失，有效地了提升钙钛矿太阳能电池开路电压。本发明工艺简单、成本低廉、环境友好、具有较高的实用价值，最高可获得1.02V的开路电压。

Description

一种基于添加剂提升太阳能电池开路电压的方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，更具体地，涉及一种基于添加剂提升太阳能电池开路电压的方法，尤其适用于钙钛矿太阳能电池。
背景技术
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色新能源，具有广阔的开发和利用空间。硅太阳电池开发最早、技术成熟、性能稳定、效率较高，在光伏产业市场中占有相当的份额。然而，其生产过程中能耗较高，一定程度上限制了晶硅太阳能电池成本的进一步降低。在众多的新型太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池发展迅速，目前已经公证到了与硅基太阳能电池相媲美的22.7％的光电转化效率，也因此得到国内外的广泛关注。基于碳电极、无空穴传输层的可印刷介观钙钛矿太阳能电池效率较高、连续光照稳定性好、制备工艺简单、成本较低，显示出可观的市场开发前景。然而，器件的开路电压较低，制约着器件性能的进一步提高。电压的提升策略包括：改善器件填充与改善界面接触，减少器件中缺陷和载流子损失；改善间隔层绝缘性能，减小复合；优化器件结构，引入空穴传输层等。
本发明针对该类器件开路电压较低的问题提出了解决方案，利用简单易操作的添加剂策略，钝化器件内部缺陷，减少载流子损失，有效地了提升钙钛矿太阳能电池开路电压。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于添加剂提升太阳能电池开路电压的方法，其中通过对添加剂的具体种类等进行改进，以盐酸胍或碘酸胍作为添加剂，并优选对添加剂的添加量进行控制，与现有技术相比可有效提升太阳能电池的开路电压，本发明通过向太阳能电池内的钙钛矿材料中引入添加剂，可钝化器件内部缺陷，减少载流子损失，有效地了提升钙钛矿太阳能电池开路电压。本发明工艺简单、成本低廉、环境友好、具有较高的实用价值，尤其适用于可印刷介观钙钛矿太阳能电池，最高可获得1.02V的开路电压。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于添加剂提升太阳能电池开路电压的方法，其特征在于，该方法是以内部包含有钙钛矿材料的太阳能电池为对象，具体是向该太阳能电池的钙钛矿材料中掺杂添加剂，所述添加剂为含有胍基离子和卤素离子的添加剂。
作为本发明的进一步优选，所述添加剂为盐酸胍或碘酸胍，所述添加剂的添加量为0.25mol～0.5mol每1mol钙钛矿材料。
作为本发明的进一步优选，所述钙钛矿材料优选为有机无机杂化的钙钛矿材料，更优选为碘铅甲胺或碘铅甲脒。
按照本发明的另一方面，本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在衬底上依次制备透明导电层、电荷传输层、绝缘层和碳电极，获得空白器件；其中所述绝缘层和所述碳电极层均具有介孔结构，所述电荷传输层具有介孔结构或平板结构；
(2)将含有胍基离子和卤素离子的添加剂加入到钙钛矿材料的前驱液中，搅拌均匀，获得澄清透明的掺杂前驱液；
(3)将所述步骤(2)得到的所述掺杂前驱液填充到所述步骤(1)制得的所述空白器件中，静置，退火后即可得到开路电压提升的钙钛矿太阳能电池。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)得到的所述掺杂前驱液中，所述添加剂为盐酸胍或碘酸胍，所述添加剂与所述钙钛矿材料两者的摩尔比为(0.25～0.5)：1。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述钙钛矿材料的前驱液所采用的溶剂为GBL、DMF、DMSO的一种或多种。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)得到的所述空白器件中介孔结构的厚度不低于13微米，太阳能电池的有效面积为6×8mm×mm，相应的，所述步骤(3)中所述掺杂前驱液的填充量为1.8～2.5μL。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，所述退火的退火温度优选为100℃，退火时间为5～10min。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述透明导电层是通过喷涂制备得到的，所述电荷传输层、绝缘层和碳电极均是通过丝网印刷制备得到的；
所述衬底为玻璃，所述电荷传输层为TiO2纳米晶膜、ZnO纳米晶膜、BaSnO3纳米晶膜或者SnO2纳米晶膜，所述绝缘层为ZrO2绝缘层、SrTiO3绝缘层、Al2O3绝缘层或者BaTiO3绝缘层。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，向太阳能电池内的钙钛矿材料中引入盐酸胍或碘酸胍作为添加剂，并优选对添加剂的添加量进行控制，可钝化器件内部缺陷，减少载流子损失，有效地了提升钙钛矿太阳能电池开路电压；具体说来，能够取得下列有益效果：
(1)本发明基于添加剂策略，利用溶液法制备太阳能电池吸光层，避免了一系列复杂的工艺。
(2)本发明不改变器件的结构，直接改善钙钛矿吸光材料结晶与填充，钝化器件内部缺陷。
(3)本发明制备工艺简单、成本低廉、效果明显，对高稳定性的可印刷钙钛矿太阳能电池的商业化生产提供更多可能。
本发明中基于添加剂提升钙钛矿太阳能电池开路电压的方法，优选通过将添加剂以一定比例引入太阳能电池中的钙钛矿材料中，可有效提升太阳能电池开路电压。本发明尤其适用于介观可印刷钙钛矿太阳能电池，通过将添加剂以一定比例引入钙钛矿前驱液中，通过采用简单的一步滴涂法制备器件。该方法制备的基于碳电极，无空穴传输层的介观可印刷钙钛矿太阳能电池获得最高1.02V的开路电压。本发明工艺简单、成本低廉、环境友好。
附图说明
图1是利用本发明提供的一种基于添加剂提升钙钛矿太阳能电池开路电压方法前后的器件电流-电压(J-V)曲线的对比图。
图2是基于添加剂提升钙钛矿太阳能电池开路电压方法的重复性测试其结果统计图。
图3是本发明钙钛矿太阳能电池的示意图，图中白色线框区域为Active area(即活性区)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明中基于添加剂提升钙钛矿太阳能电池开路电压的方法，是通过向钙钛矿材料中引入添加剂，由此来提升钙钛矿太阳能电池开路电压；相应太阳能电池的制备方法，概括来说，是在衬底上依次制备透明导电层、电荷传输层、绝缘层和碳对电极层，再将前驱液填充于三层介孔膜结构中，退火后完成器件制备；具体可以包括以下步骤：
(1)在衬底上依次制备透明导电层、电荷传输层、绝缘层和碳电极；这些透明导电层、电荷传输层、绝缘层和碳电极层优选为介孔结构，总厚度为13～15微米；
(2)将盐酸胍以一定的添加量，添加入于钙钛矿的前驱液中，搅拌均匀，获得澄清透明的前驱液；
(3)将一定量的前驱液填充于丝网印刷的空白器件中，退火后完成制备。
当然，所述步骤(1)中的透明导电层、电荷传输层也可以是平板结构(所谓平板结构即薄膜孔隙率极小的、可视为致密层的平板结构；以电荷传输层为例，介孔的TiO2电荷传输层可以被颗粒小、导电层薄膜孔隙率极小、可被视为平板结构的导电层的SnO2等材料替换)，绝缘层和碳电极层仍保持为介孔结构；此时，上述所有的步骤均可保持相同操作。
实施例1
(1)在衬底上依次制备透明导电层、电荷传输层、绝缘层和碳电极；
(2)配制未添加盐酸胍的、澄清透明的钙钛矿前驱液，其中钙钛矿含量为1M；
(3)将2.5μL的钙钛矿前驱液填充于空白器件中，100℃退火5min。
实施例2
(1)在衬底上依次制备透明导电层、电荷传输层、绝缘层和碳电极；
(2)将盐酸胍以0.25mol/L的添加量，添加入于钙钛矿的前驱液中，搅拌均匀，获得澄清透明的前驱液，其中钙钛矿含量为1M；
(3)将2.5μL的钙钛矿前驱液填充于空白器件中，100℃退火5min。
实施例3
(1)在衬底上依次制备透明导电层、电荷传输层、绝缘层和碳电极；
(2)将盐酸胍以0.5mol/L的添加量，添加入于钙钛矿的前驱液中，搅拌均匀，获得澄清透明的前驱液，其中钙钛矿含量为1M；
(3)将2.5μL的钙钛矿前驱液填充于空白器件中，100℃退火5min。
实施例4
(1)在衬底上依次制备透明导电层、电荷传输层、绝缘层和碳电极；
(2)将盐酸胍以0.75mol/L的添加量，添加入于钙钛矿的前驱液中，搅拌均匀，获得澄清透明的前驱液，其中钙钛矿含量为1M；
(3)将2.5μL的钙钛矿前驱液填充于空白器件中，100℃退火5min。
实施例5
(1)在衬底上依次制备透明导电层、电荷传输层、绝缘层和碳电极；
(2)将盐酸胍以1mol/L的添加量，添加入于钙钛矿的前驱液中，搅拌均匀，获得澄清透明的前驱液，其中钙钛矿含量为1M；
(3)将2.5μL的钙钛矿前驱液填充于空白器件中，100℃退火5min。
表1MAPbI3·xGuCl(x＝0,0.25,0.5,0.75,1.0)的器件性能
在AM 1.5G,100mW/cm2光强下，测试了器件的J-V曲线，相关的电池参数如表1所示。其中，当掺杂量在0.25mol和0.5mol时，参数变化最为显著，器件的Voc可以由未掺杂时的0.88V提升至1.01V和1.02V，FF可提升至0.74和0.72。当掺杂量在0.25mol,平均Jsc提升至17.06mA cm-2,掺杂量大于等于0.75mol时，Jsc开始显著下降。掺杂量为1mol时，优化后的器件只获得了1.15％的光电转化效率。
实施例6
(1)在衬底上依次制备透明导电层、电荷传输层、绝缘层和碳电极；
(2)将未添加盐酸胍与盐酸胍添加量为0.25mol/L钙钛矿前驱液，其中钙钛矿含量为1M，分别移取2.5μL，填充于空白器件中，100℃退火5min；
(3)测试制作的同一批电池中(15块)器件光电性能参数的变化。
这批电池它们的测试结果如图2所示，可以看出，盐酸胍作为添加剂可以有效地提升器件性能，尤其是器件的开路电压。
除了上述实施例中所采用的具体添加剂外，适用于本发明的添加剂还可以是其它含有胍基离子和卤素离子的添加剂(如碘酸胍)。本发明中太阳能电池的有效面积为6×8mm×mm，实施例1－5步骤(3)中钙钛矿前驱液的填充量还可以为1.8-2.5微升的其他值，只要前驱液扩散过了电荷传输层(如TiO2电荷传输层)即可。
上述实施例中，太阳能电池的有效面积为6×8(mm×mm)。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于添加剂提升太阳能电池开路电压的方法，其特征在于，该方法是以内部包含有钙钛矿材料的太阳能电池为对象，具体是向该太阳能电池的钙钛矿材料中掺杂添加剂，所述添加剂为含有胍基离子和卤素离子的添加剂。
2.如权利要求1所述基于添加剂提升太阳能电池开路电压的方法，其特征在于，所述添加剂为盐酸胍或碘酸胍，所述添加剂的添加量为0.25mol～0.5mol每1mol钙钛矿材料。
3.如权利要求1所述基于添加剂提升太阳能电池开路电压的方法，其特征在于，所述钙钛矿材料优选为有机无机杂化的钙钛矿材料，更优选为碘铅甲胺或碘铅甲脒。
4.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在衬底上依次制备透明导电层、电荷传输层、绝缘层和碳电极，获得空白器件；其中所述绝缘层和所述碳电极层均具有介孔结构，所述电荷传输层具有介孔结构或平板结构；
(2)将含有胍基离子和卤素离子的添加剂加入到钙钛矿材料的前驱液中，搅拌均匀，获得澄清透明的掺杂前驱液；
(3)将所述步骤(2)得到的所述掺杂前驱液填充到所述步骤(1)制得的所述空白器件中，静置，退火后即可得到开路电压提升的钙钛矿太阳能电池。
5.如权利要求4所述钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)得到的所述掺杂前驱液中，所述添加剂为盐酸胍或碘酸胍，所述添加剂与所述钙钛矿材料两者的摩尔比为(0.25～0.5)：1。
6.如权利要求4所述钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述钙钛矿材料的前驱液所采用的溶剂为GBL、DMF、DMSO的一种或多种。
7.如权利要求4所述钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)得到的所述空白器件中介孔结构的厚度不低于13微米，太阳能电池的有效面积为6×8mm×mm，相应的，所述步骤(3)中所述掺杂前驱液的填充量为1.8～2.5μL。
8.如权利要求4所述钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述退火的退火温度优选为100℃，退火时间为5～10min。
9.如权利要求4所述钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述透明导电层是通过喷涂制备得到的，所述电荷传输层、绝缘层和碳电极均是通过丝网印刷制备得到的；
所述衬底为玻璃，所述电荷传输层为TiO2纳米晶膜、ZnO纳米晶膜、BaSnO3纳米晶膜或者SnO2纳米晶膜，所述绝缘层为ZrO2绝缘层、SrTiO3绝缘层、Al2O3绝缘层或者BaTiO3绝缘层。
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