CN109119537A - 一种无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能光伏电池领域，具体为一种无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法。对透明导电基体进行清洗和O2等离子体处理，并进一步利用水热法对导电基体在含卤素(氟、氯、溴、碘等)离子溶液中进行表面改性处理；在处理后的导电基体上直接组装钙钛矿太阳能电池，电池最高效率达到14％以上。本发明在保证高效率的同时，简化了钙钛矿太阳能电池的结构和加工工艺，在未来的实际应用中具有重要价值。

Description

一种无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏电池领域，具体为一种无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池自2009年出现以来，因其具有高效率、低成本、制备简易的诸多优点而受到广泛关注。其中，平面结构钙钛矿太阳能电池相对于多孔支撑结构钙钛矿更为简易，其主体包括透明导电基体、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极。其中，普遍应用的电子传输层有TiO2、ZnO等，且一般都需要经过高温退火处理提高致密性和结晶度，增加了电池制备过程中的程序和能量消耗，制备高效率无电子传输层的钙钛矿太阳能电池对于实际应用具有重要价值。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，通过对透明导电基体在含卤素离子的溶液中进行水热处理，对其表面结构进行改性后可直接在其表面组装钙钛矿太阳能电池，简化了电池组装工艺，且电池具有较高的转化效率。
本发明的技术方案是：
一种无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，对透明导电基体进行清洗和O2等离子体处理，并进一步利用水热法对导电基体在含卤素离子溶液中进行表面改性处理；在处理后的导电基体上直接组装钙钛矿太阳能电池，电池最高效率达到14％以上。
所述的透明导电基体包括氟掺杂的氧化锡FTO导电玻璃、锡掺杂的氧化铟ITO导电玻璃或铝掺杂的氧化锌AZO导电玻璃。
所述的含卤素离子溶液中加入的含卤试剂包括各种氟化物、氯化物、溴化物或碘化物。
所述的氟化物为NaF、NH4F、KF、LiF或HF，氯化物为NaCl、NH4Cl、KCl、LiCl、CsCl或HCl，溴化物为NaBr、NH4Br、KBr、LiBr、CsBr或HBr，碘化物为NaI、NH4I、KI、LiI、CsI或HI。
所述的含卤素离子溶液的摩尔浓度为0.1mM～30mM。
所述的水热法处理温度为100～300℃，处理时间为0.5h～10h。
所述的钙钛矿材料包括有机无机杂化结构或纯无机机构，有机无机杂化结构为R-NH3MAxB3-x：R-NH3代表有机铵根离子，M代表金属Pb、Sn、Bi或Cu，A和B为卤族元素，x＝0～3；纯无机机构为MAMAxB3-x：MA代表碱金属，M代表金属Pb、Sn、Bi或Cu，A和B为卤族元素，x＝0～3。其中，有机铵根离子为CH3NH3，卤族元素为F、Cl、Br或I，碱金属为Cs。
所述的钙钛矿太阳能电池的组装过程包括：
(1)清洗透明导电基体；
(2)在含卤素离子溶液中水热处理清洗好的透明导电基体；
(3)在水热处理后的透明导电基体上沉积钙钛矿薄膜；
(4)在钙钛矿薄膜上沉积空穴传输层；
(5)在空穴传输层上沉积金属电极。
所述的钙钛矿薄膜沉积过程包括各种钙钛矿薄膜制备方法：溶液旋涂法、溶液喷涂法、气固反应法或热蒸镀法。
本发明的优点及有益效果在于：
本发明提供了一种无电子传输层钙钛矿太阳能电池的组装方法，在含卤素离子溶液中简单水热处理导电基体，可以无需电子传输层构建高效钙钛矿太阳能电池。而且，通过控制氟含量、水热温度和时间可有效调控导电基体表面含氟量，进而调控太阳能电池转化效率。
附图说明
图1：本发明一种实施方式的电池结构示意图。图中，1导电基底；2钙钛矿吸光层；3空穴传输层；4金属电极。
图2：本发明实施例1中组装的无电子传输层平面钙钛矿太阳能电池I-V曲线。其中：X轴Voltage为电压(V)、Y轴J为光电流密度(mA·cm-2)。
图3：本发明实施例2中组装的无电子传输层平面钙钛矿太阳能电池I-V曲线。其中：X轴Voltage为电压(V)、Y轴J为光电流密度(mA·cm-2)。
具体实施方式
在具体实施过程中，无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，清洗透明导电基体并对其表面进行O2等离子体处理，然后对导电基体在含卤素离子的溶液中进一步水热处理。在处理后的导电基体上直接组装钙钛矿太阳能电池，简化了钙钛矿太阳能电池的结构和加工工艺，在未来的实际应用中具有重要价值。
下面结合实施例及附图来更加详细描述本发明。
如图1所示，本实施例的钙钛矿太阳能电池结构，自下至上依次为：导电基体1(FTO)、钙钛矿吸光层2(CH3NH3PbI3)、空穴传输层(spiro-OMeTAD)、金属电极(如：Au、Ag)。
实施例1
本实施例中，清洗FTO导电基体，在水、乙醇、丙酮、异丙醇溶剂中分别超声30min，然后用氮气吹干，采用O2等离子体处理10～20min。利用水热方法在含氟离子的溶液中处理FTO导电基体：取40ml盐酸溶液(摩尔浓度为3.5M)放入反应釜内胆中，并加入20mg的NaF；然后将清洗好的玻璃片放入溶液中，水热处理温度为220℃，时间为2h；将水热处理后的FTO基体用大量去离子水清洗干净吹干后，直接在其上组装钙钛矿太阳能电池。
在钙钛矿电池组装过程中，本实例中采用CH3NH3I与PbCl2摩尔比3：1溶解在二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，利用旋涂方法将上述溶液成膜在FTO基体表面(其中旋涂参数为转速3000r/min保持时间60s)，通过100℃退火处理90min后获得钙钛矿吸光层(钙钛矿薄膜)；本实施例空穴传输层采用的空穴导体为spiro-OMeTAD，空穴导体的氯苯溶液通过旋涂的方法沉积在钙钛矿吸光层表面(其中旋涂参数为转速5000r/min保持时间30s)，自然干燥后干燥空气下氧化12h；蒸镀金属电极，本实例采用金为顶端电极，利用热蒸镀方法蒸镀厚度为60nm。对上述制备得到的太阳能电池在AM1.5标准光源下测试的最高效率大于14％，可达到14.3％(图2)。
实施例2
本实施例中，清洗FTO导电基体，在水、乙醇、丙酮、异丙醇溶剂中分别超声30min，然后用氮气吹干，O2等离子体处理10～20min。利用水热方法在含氟离子的溶液中处理FTO导电基体：取40ml盐酸溶液(摩尔浓度为3.5M)放入反应釜内胆中，并加入10mg的NaF；然后将清洗好的玻璃片放入溶液中，水热处理温度为220℃，时间为2h；将水热处理后的FTO基体用大量去离子水清洗干净吹干后，直接在其上组装钙钛矿太阳能电池。
在钙钛矿电池组装过程中，本实例中采用CH3NH3I与PbCl2摩尔比3：1溶解在二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，利用旋涂方法将上述溶液成膜在FTO基体表面(其中旋涂参数为转速3000r/min保持时间60s)，通过100℃退火处理90min后获得钙钛矿吸光层；本实施例空穴传输层采用的空穴导体为spiro-OMeTAD，空穴导体的氯苯溶液通过旋涂的方法沉积在钙钛矿吸光层表面(其中旋涂参数为转速5000r/min保持时间30s)，自然干燥后干燥空气下氧化12h；蒸镀金属电极，本实例采用金为顶端电极，利用热蒸镀方法蒸镀厚度为60nm。对上述制备得到的太阳能电池在AM1.5标准光源下测试的最高效率大于13％，可达到13.3％(图3)。
实施例结果表明，本发明清洗透明导电基体并对其表面进行O2等离子体处理，然后对导电基体在含卤素离子的溶液中进一步水热处理。在处理后的导电基体上直接组装钙钛矿太阳能电池，电池最高效率可达到13％以上(优选范围为13～14％。在保证高效率的同时，简化了钙钛矿太阳能电池的结构和加工工艺，在未来的实际应用中具有重要价值。
以上实例仅为本发明中较佳结果，并不用于限制本发明，凡是在本发明原则基础上做的同等替换或修饰所获得的技术方案，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，对透明导电基体进行清洗和O2等离子体处理，并进一步利用水热法对导电基体在含卤素离子溶液中进行表面改性处理；在处理后的导电基体上直接组装钙钛矿太阳能电池，电池最高效率达到14％以上。
2.按照权利要求1所述的无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的透明导电基体包括氟掺杂的氧化锡FTO导电玻璃、锡掺杂的氧化铟ITO导电玻璃或铝掺杂的氧化锌AZO导电玻璃。
3.按照权利要求1所述的无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的含卤素离子溶液中加入的含卤试剂包括各种氟化物、氯化物、溴化物或碘化物。
4.按照权利要求3所述的无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的氟化物为NaF、NH4F、KF、LiF或HF，氯化物为NaCl、NH4Cl、KCl、LiCl、CsCl或HCl，溴化物为NaBr、NH4Br、KBr、LiBr、CsBr或HBr，碘化物为NaI、NH4I、KI、LiI、CsI或HI。
5.按照权利要求1、3或4所述的无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的含卤素离子溶液的摩尔浓度为0.1mM～30mM。
6.按照权利要求1所述的无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的水热法处理温度为100～300℃，处理时间为0.5h～10h。
7.按照权利要求1所述的无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的钙钛矿材料包括有机无机杂化结构或纯无机机构，有机无机杂化结构为R-NH3MAxB3-x：R-NH3代表有机铵根离子，M代表金属Pb、Sn、Bi或Cu，A和B为卤族元素，x＝0～3；纯无机机构为MAMAxB3-x：MA代表碱金属，M代表金属Pb、Sn、Bi或Cu，A和B为卤族元素，x＝0～3。
8.按照权利要求7所述的电子传输层构筑高开路电压钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，有机铵根离子为CH3NH3，卤族元素为F、Cl、Br或I，碱金属为Cs。
9.按照权利要求1所述的无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的钙钛矿太阳能电池的组装过程包括：
(1)清洗透明导电基体；
(2)在含卤素离子溶液中水热处理清洗好的透明导电基体；
(3)在水热处理后的透明导电基体上沉积钙钛矿薄膜；
(4)在钙钛矿薄膜上沉积空穴传输层；
(5)在空穴传输层上沉积金属电极。
10.按照权利要求9所述的无电子传输层的平面钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的钙钛矿薄膜沉积过程包括各种钙钛矿薄膜制备方法：溶液旋涂法、溶液喷涂法、气固反应法或热蒸镀法。
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