CN109545971A - 一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池的制备工艺 - Google Patents

一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于太阳能电池领域，公开了一种新型的采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池的制备工艺。所述的制备方法中将钙钛矿前驱体溶液加入到以聚酯纤维为笔头的液体粉笔中，采用涂抹的方法加工钙钛矿型太阳能电池，具有制备工艺简单、节约材料、无需旋涂，反溶剂等优点，有利于大幅度降低钙钛矿太阳能电池的制备成本并简化制备流程，节约材料；并且对衬底无严格的要求，更有利于制备大面积、柔性可弯曲的器件；简化了制备方法的同时，器件的光电转化效率保持在较高水平，也拥有较高的重复性，便于工业化生产。

Description

一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池的制备 工艺
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，涉及一种新型的钙钛矿太阳能电池的成膜方法，特别是涉及一种采用笔刷涂抹加工钙钛矿太阳能电池的制备工艺。
背景技术
面对目前能源危机及环境污染，可将太阳能直接转化为电能的光伏电池对于解决能源枯竭和缓解环境恶化，保障社会、经济的可持续健康发展具有非常重大的意义。近年来，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池异军突起，其PCE从2009年的3.8%，迅速提升至目前的20%以上。钙钛矿材料成本价廉，有合适的带隙宽度，同时具有空穴和电子输运能力。因此，以有机-无机复合钙钛矿材料为代表的太阳能发电技术展现出了非常光明的产业化发展前景。
在2009年，日本Miyasaka等研究人员首次报道了具有钙钛矿结构的有机-铅卤化物（CH3NH3PbBr3，CH3NH3PbI3）作为光电转化材料被用于液态电解质染料敏化太阳能电池。由于钙钛矿吸光层在液态电解质中稳定性较差，仅得到3.81%的光电转换效率。目前，钙钛矿电池的 PCE已经提高到 23.3%，显示极具潜力的应用前景。
钙钛矿型太阳能电池走向应用，必须解决一下工艺上的问题。通常对于钙钛矿层薄膜采取旋涂的方式进行加工，然而在旋涂过程中不可避免的会浪费大量的材料，导致了制作钙钛矿太阳能电池的高额成本，同时废液对环境也有极大污染。并且使用匀胶机进行旋涂加工耗时较长，成本较高，效率低下。为了优化钙钛矿层薄膜的制作方法，研究者采用笔刷涂抹的方法，将钙钛矿前驱体溶液涂抹在基片上，不浪费一滴溶液，大大节约了材料，简化了制作过程。
发明内容
要解决的技术问题：常规的钙钛矿太阳能电池采用旋涂的方法加工钙钛矿层薄膜，其工艺过程繁杂、成本较高，为了简化这一过程，本发明的目的是提供一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池制备工艺，具体采用以聚酯纤维为笔头的液体粉笔将钙钛矿前驱体溶液涂抹至基片上，通过调节涂抹速率和退火时间使钙钛矿薄膜平整结晶，简化的同时也保证了较高的光电转化效率。
技术方案：为了解决上述问题，本发明公开了一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池制备工艺，所述的制备方法包括以下步骤：
（1）将碘化甲铵和碘化铅溶于由二甲基亚砜（DMSO）和γ-羟基丁酸内酯（GBL）组成的混合溶液里，搅拌均匀，获得钙钛矿DMSO-GBL溶液；
（2）将二氧化钛以沉积的形式加工在基底透明电极上，形成均匀的电子传输层薄膜；
（3）将钙钛矿DMSO-GBL溶液加入至笔头材料为聚酯纤维的液体粉笔空杆中，以涂抹的方法加工钙钛矿层薄膜，形成较为均匀的感光层；
（4）将钙钛矿层薄膜退火后，得到固化的感光层；
（5）在钙钛矿薄膜之上采用旋涂、喷墨打印、卷对卷或者步骤（3）中涂抹的方式加工处理2,2',7,7'-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）薄膜，无需退火得到均匀的空穴传输层；
（6）在空穴传输层上采用蒸镀或者喷墨打印的方法加工处理MoO3修饰层；
（7）在MoO3修饰层上采用蒸镀或者喷墨打印方法加工阴极电极。
进一步的，所述的步骤（1）中碘化甲铵和碘化铅摩尔比为1:1，二甲基亚砜和γ-羟基丁酸内酯的体积比为3:7，搅拌时间为2-8小时。
进一步的，所述的步骤（3）中以1cm/s涂抹的方法加工钙钛矿层薄膜。
进一步的，所述的步骤（4）中将薄膜于100℃空气中退火15min。
进一步的，所述的制备方法中基底为柔性基底、ITO玻璃、AZO玻璃或FTO玻璃。
本发明所述的制备工艺制得的钙钛矿太阳能电池。
有益效果：本发明提供了一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池的制备工艺，与现有技术相比，采用笔刷涂抹的方法加工钙钛矿型太阳能电池，相比传统的旋涂成膜的制备工艺，具有制备工艺简单、节约材料、耗时少的优点，有利于大幅度降低有机太阳能电池的成本；
使用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池，在大规模生产中具有成本优势，有效减少了材料浪费，降低了对环境的污染程度，同时对衬底无严格的要求，更有利于制备大面积、柔性可弯曲的器件，便于工业化生产。
附图说明
图1 为本发明的制备方法制得的钙钛矿型太阳能电池的结构示意图，其中1为FTO玻璃基底，2为阴极电极，3为电子传输层，4为钙钛矿薄膜，5、6为空穴传输层， 7为阳极电极。
图2 为本发明制备方法的FTO玻璃基底采用聚酯纤维笔刷涂布法制得的钙钛矿太阳能电池器件在光照强度为AM1.5G下的电流密度-电压曲线图。
具体实施方式
实施例1
（1）提供一个FTO玻璃基底，并进行标准化清洗；
（2）将碘化甲铵（MAI）和碘化铅（PbI2）按摩尔比1:1溶于二甲基亚砜和γ-羟基丁酸内酯体积比为3:7的混合溶液里，搅拌2-8小时，获得1.2mol/L的钙钛矿DMSO-GBL溶液；
（3）将4500μL四氯化钛（TiCl4）滴加至200g冰水混合物中，浸没FTO玻璃基底，置于70℃烘箱1h后取出，用去离子水缓慢冲洗干净，吹干后放入烘箱烘干，得到均匀的二氧化钛（TiO2）电子传输层；
（4）将钙钛矿DMSO-GBL溶液加入至笔头材料为聚酯纤维的液体粉笔空杆中，以1cm/s速度涂抹在TiO2薄膜上，形成较为均匀的感光层，100℃退火10min；
（5）在钙钛矿薄膜之上旋涂方法加工空穴传输层Spiro-OMeTAD，加速到5000rpm 的转速下旋转40秒，得到均匀的空穴传输层薄膜；
（6）采用蒸镀的方法制备空穴传输层MoO3，其厚度为10nm；
（7）采用蒸镀的方法制备阴极电极Ag，其厚度为100nm。
实施例2
（1）提供一个FTO玻璃基底，并进行标准化清洗；
（2）将碘化甲铵（MAI）和碘化铅（PbI2）按摩尔比1:1溶于二甲基亚砜和γ-羟基丁酸内酯体积比为3:7的混合溶液里，搅拌2-8小时，获得1.2mol/L的钙钛矿DMSO-GBL溶液；
（3）将4500μL四氯化钛（TiCl4）滴加至200g冰水混合物中，浸没FTO玻璃基底，置于70℃烘箱1h后取出，用去离子水缓慢冲洗干净，吹干后放入烘箱烘干，得到均匀的二氧化钛（TiO2）电子传输层；
（4）将钙钛矿DMSO-GBL溶液加入至笔头材料为聚酯纤维的液体粉笔空杆中，以1cm/s速度涂抹在TiO2薄膜上，形成较为均匀的感光层，100℃退火15min；
（5）在钙钛矿薄膜之上旋涂方法加工空穴传输层Spiro-OMeTAD，加速到5000rpm 的转速下旋转40秒，得到均匀的空穴传输层薄膜；
（6）采用蒸镀的方法制备空穴传输层MoO3，其厚度为10nm；
（7）采用蒸镀的方法制备阴极电极Ag，其厚度为100nm。
实施例3
（1）提供一个FTO玻璃基底，并进行标准化清洗；
（2）将碘化甲铵（MAI）和碘化铅（PbI2）按摩尔比1:1溶于二甲基亚砜和γ-羟基丁酸内酯体积比为3:7的混合溶液里，搅拌2-8小时，获得1.2mol/L的钙钛矿DMSO-GBL溶液；
（3）将4500μL四氯化钛（TiCl4）滴加至200g冰水混合物中，浸没FTO玻璃基底，置于70℃烘箱1h后取出，用去离子水缓慢冲洗干净，吹干后放入烘箱烘干，得到均匀的二氧化钛（TiO2）电子传输层；
（4）将钙钛矿DMSO-GBL溶液加入至笔头材料为聚酯纤维的液体粉笔空杆中，以1cm/s速度涂抹在TiO2薄膜上，形成较为均匀的感光层，100℃退火20min；
（5）在钙钛矿薄膜之上旋涂方法加工空穴传输层Spiro-OMeTAD，加速到5000rpm 的转速下旋转40秒，得到均匀的空穴传输层薄膜；
（6）采用蒸镀的方法制备空穴传输层MoO3，其厚度为10nm；
（7）采用蒸镀的方法制备阴极电极Ag，其厚度为100nm。
对比例1
（1）提供一个FTO玻璃基底，并进行标准化清洗；
（2）将碘化甲铵（MAI）和碘化铅（PbI2）按摩尔比1:1溶于二甲基亚砜和γ-羟基丁酸内酯体积比为3:7的混合溶液里，搅拌2-8小时，获得1.2mol/L的钙钛矿DMSO-GBL溶液；
（3）将4500μL四氯化钛（TiCl4）滴加至200g冰水混合物中，浸没FTO玻璃基底，置于70℃烘箱1h后取出，用去离子水缓慢冲洗干净，吹干后放入烘箱烘干，得到均匀的二氧化钛（TiO2）电子传输层；
（4）将钙钛矿DMSO-GBL溶液旋涂方法加工在TiO2薄膜上，先加速到2000rpm的转速下旋转20s，再加速到4000rpm的转速下旋转40s，并在其旋转20s时滴加氯苯，形成较为均匀的感光层，100℃退火10min；
（5）在钙钛矿薄膜之上旋涂方法加工空穴传输层Spiro-OMeTAD，加速到5000rpm 的转速下旋转40秒，得到均匀的空穴传输层薄膜；
（6）采用蒸镀的方法制备空穴传输层MoO3，其厚度为10nm；
（7）采用蒸镀的方法制备阴极电极Ag，其厚度为100nm。
对比例2
（1）提供一个FTO玻璃基底，并进行标准化清洗；
（2）将4500μL四氯化钛（TiCl4）滴加至200g冰水混合物中，浸没FTO玻璃基底，置于70℃烘箱1h后取出，用去离子水缓慢冲洗干净，吹干后放入烘箱烘干，得到均匀的二氧化钛（TiO2）电子传输层；
（3）采用蒸镀的方法制备钙钛矿层CH3NH3PbI3，其厚度为10nm。
（4）在钙钛矿薄膜之上旋涂方法加工空穴传输层Spiro-OMeTAD，加速到5000rpm的转速下旋转40秒，得到均匀的空穴传输层薄膜；
（5）采用蒸镀的方法制备空穴传输层MoO3，其厚度为10nm；
（6）采用蒸镀的方法制备阴极电极Ag，其厚度为100nm。
上述实施例和对比例的太阳能电池的性能如下：
实施例1、2、3所制得的钙钛矿太阳能电池均采用聚酯纤维笔刷涂布法，分别在100℃退火10min、15min、20min条件下得到。对比例1、2分别采用悬涂法和蒸镀法制备钙钛矿太阳能电池。由上述数据可见，采用聚酯纤维笔刷涂布法所制得的钙钛矿太阳能电池中，100℃退火15min的器件能量转换效率最高，相较于蒸镀法所制得的钙钛矿太阳能电池有明显优势，而比悬涂法略低。但是，悬涂法因其成本高，材料利用率低下，无法制备大面积太阳能电池等缺点无法在商业上取得优势。相对的，采用聚酯纤维笔刷涂布法仅仅牺牲了一点能量转换效率却大幅度降低了制作钙钛矿太阳能电池的成本并极大提高材料利用率，同时简便的制备方法使其容易制作大面积柔性太阳能电池，有着巨大的商业前景。

Claims (7)

1.一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池制备工艺，其特征在于，所述的制备工艺中采用以聚酯纤维为笔头的液体粉笔对钙钛矿层进行加工。
2.根据权利要求1所述的一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池的制备工艺，其特征在于，所述的制备工艺包括以下步骤：
（1）将碘化甲铵和碘化铅溶于由二甲基亚砜和γ-羟基丁酸内酯组成的混合溶液里，搅拌均匀，获得钙钛矿二甲基亚砜—γ-羟基丁酸内酯溶液；
（2）将二氧化钛以沉积的形式加工在基底透明电极上，形成均匀的电子传输层薄膜；
（3）将钙钛矿二甲基亚砜—γ-羟基丁酸内酯溶液加入至笔头材料为聚酯纤维的液体粉笔空杆中，以涂抹的方法加工钙钛矿层薄膜，形成较为均匀的感光层；
（4）将钙钛矿层薄膜退火后，得到固化的感光层；
（5）在钙钛矿薄膜之上采用旋涂、喷墨打印、卷对卷或者步骤（3）中涂抹的方式加工处理2,2',7,7'-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9'-螺二芴薄膜，无需退火得到均匀的空穴传输层；
（6）在空穴传输层上采用蒸镀或者喷墨打印的方法加工处理MoO3修饰层；
（7）在MoO3修饰层上采用蒸镀或者喷墨打印方法加工阴极电极。
3.根据权利要求2所述的一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池的制备工艺，其特征在于，所述的步骤（1）中碘化甲铵和碘化铅摩尔比为1:1，二甲基亚砜和γ-羟基丁酸内酯的体积比为3:7，搅拌时间为2-8小时。
4.根据权利要求2所述的一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池的制备工艺，其特征在于，所述的步骤（3）中以0.5-3cm/s涂抹的方法加工钙钛矿层薄膜。
5.根据权利要求2所述的一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池的制备工艺，其特征在于，所述的步骤（4）中将薄膜于100℃空气中退火10-30min。
6.根据权利要求2所述的一种采用聚酯纤维笔刷涂布法的钙钛矿太阳能电池的制备工艺，其特征在于，所述的制备方法中基底为柔性基底、ITO玻璃、AZO玻璃或FTO玻璃。
7.权利要求1至6任一项所述的制备工艺制得的钙钛矿太阳能电池。
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