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一种使用绿色混合反溶剂制备高效钙钛矿太阳能电池及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种混合绿色反溶剂制备高效钙钛矿太阳能电池的制备方法。通过使用乙酸乙酯及异丙醇的混合溶液作为钙钛矿制备中的反溶剂，制备高质量甲胺铅碘钙钛矿薄膜。该方法得到的钙钛矿薄膜晶粒明显增大，缺陷减少，从而减少电流传输的损失，提升钙钛矿电池的效率。本发明的制备方法与采用单一反溶剂制备的钙钛矿太阳能电池相比，制备简单，材料易得无污染，且效果明显，适合高性能、低成本、无污染的高效太阳能电池的制备。

Description

一种使用绿色混合反溶剂制备高效钙钛矿太阳能电池及制备 方法
本发明属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种使用混合绿色反溶剂制备高效钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
随着石油、煤炭和天然气等不可再生化石资源总量的日益缩减，绿色可再生环保新能源的开发利用已成为当今世界的重大问题。钙钛矿太阳能电池是一种新型的薄膜太阳能电池，目前认证的光电转换效率已经达到23.3％。PSC器件通常由导电衬底、电子输运层、钙钛矿光吸收层、空穴输运层和金属电极组成。其中，高质量的钙钛矿膜对于高效太阳能电池的制造和高效利用至关重要。迄今为止，高质量钙钛矿薄膜的制备方法主要有气相沉积法、两步顺序溶液沉积法和反溶剂辅助法，其中反溶剂法是一种简单有效的获得高质量的钙钛矿膜方法。
目前所常用的反溶剂为DEE、TL、CB、EA等，但这些反溶剂由于其毒性及由其所制备的太阳能电池重复性较差等原因，并不能很好的适应工业化钙钛矿太阳能电池生产的要求。对于钙钛矿太阳能电池的工业化来说，在保证高效率的同时，电池制备过程中使用无毒溶剂，对于大规模生产至关重要。因此，一种高效低毒的反溶剂方法对钙钛矿太阳能电池制备具有重要的科学意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现存的技术不足，提供了一种使用乙酸乙酯及异丙醇为反溶剂制备高质量钙钛矿薄膜，以及利用所制备钙钛矿薄膜制备高效钙钛矿太阳能电池。使用EA/IPA为绿色混合反溶剂制备的太阳能电池结构为：FTO玻璃/NiOx空穴传输层/钙钛矿吸光层/PCBM电子传输层/银电极，与现有电池制备工艺相兼容，为开发高效的钙钛矿太阳能电池提供了一种新思路。
为了克服已经存在的技术不足，本发明的技术方案为：
本发明公开了一种使用使用乙酸乙酯及异丙醇为反溶剂制备高效钙钛矿太阳能电池，采用以下制备方法制成：1、以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；2、制备空穴传输层；3、制备钙钛矿层；4、在钙钛矿层上制备电子传输层；5、在电子传输层上制备电极修饰层；6、在电极修饰层上制备电极，从而获得太阳能电池；
所述的钙钛矿吸光层是采用以下方法制成的：首先配制1mol/ml的NMP及DMF混合溶液，溶剂NMP：DMF为1:1，然后钙钛矿前驱体溶液置于磁力搅拌器上搅拌30min，待其溶解后，取20ml旋涂于已旋涂空穴传输层的基底上，在20s时取100ml反溶剂滴加，40s后结束旋涂并100℃退火10min。上述的钙钛矿太阳能电池，优选的：所述的碳量子点的粒径为5-10nm。
上述的钙钛矿太阳能电池，优选的：通过旋涂法制备钙钛矿光吸收层的厚度在450-500nm之间，通过旋涂法制备的NiOx空穴传输层厚度为35nm，通过旋涂法制备的碳量子点掺杂PCBM电子传输层厚度为30-100nm，通过旋涂法制备的BCP电极修饰层厚度为8nm，通过真空蒸镀法制备的Ag电极厚度为60nm。
本发明还公开了一种上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于采用以步骤：
(1)将FTO(方阻为15-20Ω/sq)透明导电玻璃切成1.6cm的长条，接着贴上1cm宽的胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成1.65×1.75cm长方形，用碱液超声清洗30-60min，再用酒精超声清洗30-60min，最后用去离子水超声清洗10-30min，然后放入烘干箱干燥以备用；
(2)配置15-20mg/ml的PCBM氯苯溶液，置于磁力搅拌器上搅拌12小时；
(3)将洗净的基片使用等离子清洗机清洗10min，然后置于匀胶机上以旋涂NIOx空穴传输层，400℃退火60min；
(4)在上述(3)条件下，将退火完成的基片放置于手套箱内匀胶机上，旋涂浓度为1mmol/ml的MAI与PbI2的DMF/NMP溶液，完成后100℃退火10min；
(5)在上述(4)条件下，将冷却后的基片至于匀胶机上旋涂PCBM溶液，匀胶机旋转时间为30s；
(6)在上述(5)条件下，旋涂BCP(浴铜灵)的异丙醇溶液作为电极修饰层，将制备好的样品取出，用真空热蒸发镀膜仪蒸镀金属电极。
本发明首次采用EA/IPA为反溶剂，并制备了电池。这种工艺与现有工艺相兼容，并将电池的效率由16.10％提升至18.98％。
本发明的有益效果：本发明属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种混合绿色反溶剂制备高效钙钛矿太阳能电池的制备方法。通过使用乙酸乙酯及异丙醇的混合溶液作为钙钛矿制备中的反溶剂，制备高质量甲胺铅碘钙钛矿薄膜。该方法得到的钙钛矿薄膜晶粒明显增大，缺陷减少，从而减少电流传输的损失，提升钙钛矿电池的效率。本发明的制备方法与采用单一反溶剂制备的钙钛矿太阳能电池，制备简单，材料易得无污染，且效果明显，适合高性能、低成本、无污染的高效太阳能电池的制备。
附图说明
图1为反型钙钛矿太阳能结构示意图
图2为不同反溶剂制备的钙钛矿层XRD曲线
图3为不同反溶剂制备的钙钛矿层TPV曲线
图4为不同反溶剂制备的钙钛矿太阳能电池I-V曲线
其中1.FTO导电玻璃，2.NIOx空穴传输层，3.钙钛矿光吸收层，4.碳量子点掺杂PCBM电子传输层，5.BCP，6.电极。
具体实施方式
实施例1
(1)制备无空穴传输层平面异质结太阳能电池结构示意图如图1。将FTO(方阻为15Ω/sq)透明导电玻璃切成1.6cm的长条，接着贴上一厘米宽的胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成1.6×1.7cm长方形，用碱液超声清洗40min，再用酒精超声清洗50min，最后用去离子水超声清洗20min，然后放入烘干箱干燥以备用；(2)首先配置16mg/ml的PCBM氯苯溶液。(3)将洗净的基片使用等离子清洗机清洗10min，然后置于匀胶机上以4000rpm旋涂NIOx溶液40s，400℃退火60min；(4)在上述(3)条件下，将退火完成的基片放置于手套箱内匀胶机上，旋涂浓度为1mmol/ml的MAI/PbI2的DMF/NMP溶液40s，并在20s时滴加100ml的EA：IPA＝100:6的反溶剂，完成后100℃退火10min；(5)在上述(4)条件下，将冷却好的基片置于匀胶机上，以2000rpm的转速旋涂PCBM溶液，旋涂时间为30s；(6)在上述(5)条件下，以3500rpm转速旋涂BCP(浴铜灵)的乙醇溶液，将制备好的样品取出，用真空镀膜仪蒸镀Ag电极60nm，蒸发速率为
实施例2
本实施例与实施例1相同，不同之处在于步骤4中加入EA/IPA＝100:0体积比。
实施例3
本实施例与实施例1相同，不同之处在于步骤4中加入EA/IPA＝100:12体积比。
实施例4
本实施例与实施例1相同，不同之处在于步骤4中加入EA/IPA＝0:100体积比。

Claims (5)

1.一种使用绿色混合反溶剂制备高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于以下步骤：
1、以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；2、制备空穴传输层；3、制备钙钛矿层；4、在钙钛矿层上制备电子传输层；5、在电子传输层上制备电极修饰层；6、在电极修饰层上制备电极，从而获得太阳能电池。
2.所述的钙钛矿吸光层是采用以下方法制成的：首先配制1mol/ml的NMP及DMF混合溶液，溶剂NMP：DMF为1:1，然后钙钛矿前驱体溶液置于磁力搅拌器上搅拌30min，待其溶解后，取20ml旋涂于已旋涂空穴传输层的基底上，在20s时取100ml反溶剂滴加，40s后结束旋涂并100℃退火10min。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述反溶剂为乙酸乙酯与异丙醇以100:6体积比混合。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：通过旋涂法制备钙钛矿光吸收层的厚度在450-500nm之间，通过旋涂法制备的NIOx空穴传输层厚度为35nm，通过旋涂法制备的碳量子点掺杂PCBM电子传输层厚度为30-100nm，通过旋涂法制备的BCP电极修饰层厚度为8nm，通过真空蒸镀法制备的Ag电极厚度为60nm。
5.一种权利要求3所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于采用以步骤：
(1)将FTO(方阻为15-20Ω/□)透明导电玻璃切成1.6cm的长条，接着贴上1cm宽的胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成1.65×1.75cm长方形，用碱液超声清洗30-60min，再用酒精超声清洗30-60min，最后用去离子水超声清洗10-30min，然后放入烘干箱干燥以备用；
(2)配置15-20mg/ml的PCBM氯苯溶液，置于磁力搅拌器上搅拌12小时；
(3)将洗净的基片使用等离子清洗机清洗10min，然后置于匀胶机上以旋涂NIOX空穴传输层，400℃退火60min；
(4)在上述(3)条件下，将退火完成的基片放置于手套箱内匀胶机上，旋涂浓度为1mmol/ml的MAI/PbI2的DMF/NMP溶液40s，并在20s时滴加100ml的EA：IPA＝100:6的反溶剂，完成后100℃退火10min；
(5)在上述(4)条件下，将冷却后的基片置于匀胶机上旋涂PCBM溶液，匀胶机旋转时间为30s；
(6)在上述(5)条件下，旋涂BCP(浴铜灵)的异丙醇溶液作为电极修饰层，将制备好的样品取出，用真空热蒸发镀膜仪蒸镀金属电极。
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