CN109148697A - 一种钙钛矿太阳能电池的制备方法 - Google Patents

一种钙钛矿太阳能电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大面积钙钛矿太阳能电池制备方法。该方法依次包括导电玻璃层、致密二氧化钛膜、多孔二氧化钛膜、甲胺铅碘多晶膜、钙钛矿薄膜、空穴传输材料层及蒸镀银电极层，并且，所述的甲胺铅碘多晶膜经过长链烷基硅烷偶联剂界面修饰，通过采用不同转速下的旋涂工艺和退火工艺来形成钙钛矿薄膜，本发明允许通过快速除去溶剂来促进钙钛矿成核，能够获得大面积的钙钛矿太阳能电池。

Description

一种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领域，特别涉及到一种大面积钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，又称为光伏电池。钙钛矿太阳能电池由于其成本低，性能好，制备简单受到科研以及产业界的高度重视。钙钛矿材料从2009年用于太阳能电池，到目前效率已经达到将近20％，是初始时的电池效率的5倍，把染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等新型薄膜太阳电池甩在了身后，钙钛矿太阳能电池是近三年来发展非常迅速的低成本薄膜太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池通常包含多个层，包括透明衬底，透明导电氧化物(TCO)底部电极，电子传输层(n型ETL)，介观氧化物/钙钛矿复合层(任选)，平面钙钛矿层，空穴传输层(p型HTL)和顶部金属电极。钙钛矿太阳能电池结构核心是具有钙钛矿晶型(ABX)的有机金属卤化物吸光材料。在这种钙钛矿ABX结构中，A为甲胺基(CHNH)，B为金属铅原子，X为氯、溴、碘等卤素原子。目前在高效钙钛矿型太阳能电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺(CHNHPbI)，它的带隙约为1.5eV，消光系数高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太阳光。而且，这种材料制备简单，将含有PbI和CHNHI的溶液，在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜。上述特性使得钙钛矿型结构CHNHPbI不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收，而且所产生的光生载流子不易复合，能量损失小，这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。
尽管当前钙钛矿合成取得了显著的进展，但大多数研究都是采用小面积(<0.2cm2)钙钛矿完成的，目前只有少数研究试图制备大面积的PSC，而大面积情况下的转化效率远远落后于实验室的22％，这反映了严重的问题，本发明解决了将高效小型实验室电池的生产放大到生产更大面积钙钛矿太阳能电池以保持其高效率的问题。
发明内容
本发明提供了一种用于制造大面积太阳能电池的方法，特别是用于生产包括有机-无机钙钛矿或有机-无机钙钛矿薄膜和/或在沉积到金属氧化物层上之后通过真空处理的层的固态太阳能电池或覆盖在覆盖金属氧化物层的任选层上，并且在包含有机-无机钙钛矿的敏化剂层的退火之前。
本发明的方法允许通过快速除去溶剂来促进钙钛矿成核。这产生了用于钙钛矿结晶的核爆裂，并通过防止膜脱湿来避免形成针孔。因此，本发明的方法允许制造面积大于1cm2的固态太阳能电池。而且，本发明的方法的再现性是优异的。一方面，本发明提供一种用于制造固态太阳能电池的方法，包括以下步骤：
(1)将透明导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的FTO透明导电玻璃；
(2)使用溶胶凝胶法在导电玻璃上甩上一层致密二氧化钛膜；
(3)将碘甲胺和氯化铅以摩尔比4:1溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，使用匀胶机将上述溶液沉积在二氧化钛膜上，控制温度90℃～120℃，使得结晶成为甲胺铅碘多晶膜，随后将甲胺铅碘多晶膜浸泡于长链烷基硅烷偶联剂的非极性有机溶液中进行改性；
(4)在界面改性的甲胺铅碘多晶膜上旋涂钙钛矿薄膜，并将膜置于真空室中3-5秒钟以通过除去残余溶剂来促进钙钛矿成核，在环境空气中进行旋涂工艺；以4000rpm的转速旋转50秒，然后以2000rpm的速度旋转18秒，在150℃的温度下退火15分钟，得到光滑、有光泽和高度结晶的钙钛矿薄膜
(5)冷却至室温后，通过旋涂将空穴传输材料沉积在其上，在干燥空气流动的手套箱中进行旋转涂布程序，首先以1500转/分的速度转动20秒，以200转/分钟的速度转动，以转速2000转/秒的速度转动第二转速为5000转/分钟，持续10秒钟。
(6)使用蒸镀方法，在上述多层膜上蒸镀银电极层。
进一步，在步骤(2)中形成致密二氧化钛后，再经过300℃处理后在二氧化钛致密层上再涂覆一层多孔二氧化钛层，并进行烧结。
进一步，步骤(2)中的致密二氧化钛厚度在50nm-70nm之间。
进一步，步骤(3)中将甲胺铅碘多晶膜静置5-6分钟后取出，并在80℃下烘干15分钟。
进一步，步骤(4)钙钛矿薄膜的厚度在20-50nm之间。
进一步，步骤(5)中的空穴传输层厚度在100-200nm之间。
进一步，步骤(6)中的银电极厚度为60nm-80nm。
具体实施方式
实施例一：
制造钙钛矿太阳能电池的方法包括以下步骤：
(1)将透明导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的FTO透明导电玻璃；
(2)使用溶胶凝胶法在导电玻璃上甩上一层致密二氧化钛膜,形成50nm致密二氧化钛后，再经过300℃处理后在二氧化钛致密层上再涂覆一层多孔二氧化钛层，并进行烧结。
(3)将碘甲胺和氯化铅以摩尔比4:1溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，使用匀胶机将上述溶液沉积在二氧化钛膜上，控制温度在90℃，使得结晶成为甲胺铅碘多晶膜，随后将甲胺铅碘多晶膜浸泡于长链烷基硅烷偶联剂的非极性有机溶液中进行改性；将甲胺铅碘多晶膜静置5分钟后取出，并在80℃下烘干15分钟。
(4)在界面改性的甲胺铅碘多晶膜上旋涂钙钛矿薄膜，并将膜置于真空室中3秒钟以通过除去残余溶剂来促进钙钛矿成核，在环境空气中进行旋涂工艺；以4000rpm的转速旋转50秒，然后以2000rpm的速度旋转18秒，在150℃的温度下退火15分钟，得到光滑、有光泽和高度结晶的20nm钙钛矿薄膜
(5)冷却至室温后，通过旋涂将空穴传输材料沉积在其上，在干燥空气流动的手套箱中进行旋转涂布程序，首先以1500转/分的速度转动20秒，以200转/分钟的速度转动，以转速2000转/秒的速度转动第二转速为5000转/分钟，持续10秒钟,空穴传输材料沉积厚度为100nm。
(6)使用蒸镀方法，在上述多层膜上蒸镀60nm银电极层。
实施例二：
制造钙钛矿太阳能电池的方法包括以下步骤：
(1)将透明导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的FTO透明导电玻璃；
(2)使用溶胶凝胶法在导电玻璃上甩上一层致密二氧化钛膜,形成70nm致密二氧化钛后，再经过300℃处理后在二氧化钛致密层上再涂覆一层多孔二氧化钛层，并进行烧结。
(3)将碘甲胺和氯化铅以摩尔比4:1溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，使用匀胶机将上述溶液沉积在二氧化钛膜上，控制温度在120℃，使得结晶成为甲胺铅碘多晶膜，随后将甲胺铅碘多晶膜浸泡于长链烷基硅烷偶联剂的非极性有机溶液中进行改性；将甲胺铅碘多晶膜静置6分钟后取出，并在80℃下烘干15分钟。
(4)在界面改性的甲胺铅碘多晶膜上旋涂钙钛矿薄膜，并将膜置于真空室中3秒钟以通过除去残余溶剂来促进钙钛矿成核，在环境空气中进行旋涂工艺；以4000rpm的转速旋转50秒，然后以2000rpm的速度旋转18秒，在150℃的温度下退火15分钟，得到光滑、有光泽和高度结晶的50nm钙钛矿薄膜
(5)冷却至室温后，通过旋涂将空穴传输材料沉积在其上，在干燥空气流动的手套箱中进行旋转涂布程序，首先以1500转/分的速度转动20秒，以200转/分钟的速度转动，以转速2000转/秒的速度转动第二转速为5000转/分钟，持续10秒钟,空穴传输材料沉积厚度为200nm。
(6)使用蒸镀方法，在上述多层膜上蒸镀80nm银电极层。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种大面积钙钛矿太阳能电池制造方法，其特征在于包括如下步骤
(1)将透明导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的FTO透明导电玻璃；
(2)使用溶胶凝胶法在导电玻璃上甩上一层致密二氧化钛膜；
(3)将碘甲胺和氯化铅以摩尔比4:1溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，使用匀胶机将上述溶液沉积在二氧化钛膜上，控制温度90℃～120℃，使得结晶成为甲胺铅碘多晶膜，随后将甲胺铅碘多晶膜浸泡于长链烷基硅烷偶联剂的非极性有机溶液中进行改性；
(4)在界面改性的甲胺铅碘多晶膜上旋涂钙钛矿薄膜，并将膜置于真空室中3-5秒钟以通过除去残余溶剂来促进钙钛矿成核，在环境空气中进行旋涂工艺；以4000rpm的转速旋转50秒，然后以2000rpm的速度旋转18秒，在150℃的温度下退火15分钟，得到光滑、有光泽和高度结晶的钙钛矿薄膜。
(5)冷却至室温后，通过旋涂将空穴传输材料沉积在其上，在干燥空气流动的手套箱中进行旋转涂布程序，首先以1500转/分的速度转动20秒，以200转/分钟的速度转动，以转速2000转/秒的速度转动第二转速为5000转/分钟，持续10秒钟。
(6)使用蒸镀方法，在上述多层膜上蒸镀银电极层。
2.如权利要求1所述的钙钛矿制造方法，其特征在于，在步骤(2)中形成致密二氧化钛后，再经过300℃处理后在二氧化钛致密层上再涂覆一层多孔二氧化钛层，并进行烧结。
3.如权利要求1所述的钙钛矿制造方法，其特征在于，步骤(2)中的致密二氧化钛厚度在50nm-70nm之间。
4.如权利要求1所述的钙钛矿制造方法，其特征在于，步骤(3)中将甲胺铅碘多晶膜静置5-6分钟后取出，并在80℃下烘干15分钟。
5.如权利要求1中所述的钙钛矿制造方法，其特征在于，步骤(4)钙钛矿薄膜的厚度在20-50nm之间。
6.如权利要求1中所述的钙钛矿制造方法，其特征在于，步骤(5)中的空穴传输层厚度在100-200nm之间。
7.如权利要求1所述的钙钛矿制造方法，其特征在于，步骤(6)中的银电极厚度在60nm-80nm之间。
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