CN109888104A - 一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，包括透明衬底层、绒面透明导电薄膜层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、界面修饰层和金属电极层，制备方法包括如下步骤：步骤一：预处理带有透明导电薄膜的衬底，得到洁净的绒面透明导电薄膜层；步骤二：在绒面透明导电薄膜层上沉积空穴传输层得到交错绒面结构的衬底；步骤三、在交错绒面结构的衬底上的空穴传输层的表面沉积得到钙钛矿吸光层；步骤四、在钙钛矿吸光层的表面上沉积得到电子传输层，然后在电子传输层上沉积得到界面修饰层；步骤五、在界面修饰层上沉积金属电极层即得到电池成品。本发明制备工艺简单，降低了生产成本，大幅增强电池的减反射效果，改善了器件的光电转换性能。

Description

一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池及其制备 方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池在短短数年内出现爆炸式发展，电池光电转换效率已突破23％，超高的效率也吸引着全球学者极大的研究热情。低廉的原料成本、简易的制作工艺和优异的电池性能使钙钛矿太阳能电池具备巨大的产业化潜力。除了通过调节钙钛矿质量和界面工程等能够进一步提升电池性能外，改善钙钛矿太阳能电池的光管理效率也能提高电池的有效入射光量，增加器件电流，进而提升效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有产品中的不足，提供一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池，包括透明衬底层、绒面透明导电薄膜层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、界面修饰层和金属电极层，所述透明衬底层、绒面透明导电薄膜层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、界面修饰层、金属电极层依次从下到上排列，所述透明衬底层通过绒面透明导电薄膜层与空穴传输层固定连接，所述空穴传输层通过钙钛矿吸光层与电子传输层固定连接，所述电子传输层通过界面修饰层与金属电极层固定连接。
作为优选，透明衬底层的材质为玻璃或塑料。
作为优选，所述绒面透明导电薄膜层的材质为FTO氟掺氧化锡、ITO铟掺氧化锡、AZO铝掺氧化锌、ATO铝掺氧化锡、IGO铟掺氧化鎵中的至少一种。
作为优选，所述空穴传输层为NiO、CuSCN、CuI、ADO2型铜铁矿半导体材料、Cu2O、PbS、V2O5、MoO3、PEDOT:PSS(聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸)、PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])、Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)中的至少一种。
作为优选，所述钙钛矿吸光层包括MQX3型钙钛矿材料，其中，所述M为Cs+、CH3NH3 +、CH(NH2)2 +中的至少一种，所述Q为Pb2+、Sn2+中的至少一种，所述X为Br-、I-、Cl-中的至少一种。
作为优选，所述绒面透明导电薄膜层由深度为10-500nm、直径为5-100nm和间距为40-800nm的阵列化孔洞构成。
作为优选，所述空穴传输层厚度为15-600nm，所述电子传输层为富勒烯、富勒烯衍生物、TiO2、Zn2SnO4、SnO2、ZnO中的至少一种，所述的界面修饰层为BCP、bis-C60、乙酰丙酮锆、LiF中的至少一种。
作为优选，所述金属电极层为Ag、Cu、Al、Ni、Ti中的至少一种。
一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：在透明衬底层表面沉积带有透明导电薄膜的衬底，然后在带有透明导电薄膜的衬底表面进行刻蚀，得到带有阵列化孔洞的绒面透明导电薄膜层，然后依次用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的绒面透明导电薄膜层；
步骤二：在洁净的绒面透明导电薄膜层的表面沉积空穴传输层，保证空穴传输层能够完整填充和覆盖整个绒面透明导电薄膜层，进而得到交错绒面结构的衬底；
步骤三、在交错绒面结构的衬底上的空穴传输层的表面沉积MQX3型钙钛矿材料得到钙钛矿吸光层；
步骤四、在钙钛矿吸光层的表面上沉积富勒烯、富勒烯衍生物、TiO2、Zn2SnO4、SnO2或ZnO中的至少一种，得到电子传输层，然后在电子传输层上沉积BCP、bis-C60、乙酰丙酮锆、LiF中的至少一种，得到界面修饰层；
步骤五、用热蒸镀法在界面修饰层上真空蒸镀Ag、Cu、Al、Ni、Ti中的至少一种，得到金属电极，从而得到钙钛矿太阳能电池成品。
作为优先，所述步骤一中，刻蚀的方法为化学刻蚀或激光刻蚀或机械。
本发明的有益效果如下：本发明直接对传统的带有透明导电薄膜衬底进行简单刻蚀得到阵列化绒面，并在其表面覆盖空穴传输层，进而形成交错绒面结构的衬底，该制备工艺简单，降低了生产成本，更重要的是，这种交错绒面结构可以显著增加钙钛矿太阳能电池的入射光量，减少光损失，减反射效果好，提高器件的光子转换效率，增加器件电流，同时提高了器件的光电转换性能。另外，这种空穴传输层和透明导电薄膜的交错结构也能改善二者之间的有效界面接触，提高界面的空穴快速抽取和传输，降低电荷传输电阻，大幅提高器件的能量转换效率。
附图说明
图1为本发明的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为实施例2和对比例的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压曲线的对比示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：
实施例1：
如图1所示，一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池，包括透明衬底层1、绒面透明导电薄膜层2、空穴传输层3、钙钛矿吸光层4、电子传输层5、界面修饰层6和金属电极层7，所述透明衬底层1、绒面透明导电薄膜层2、空穴传输层3、钙钛矿吸光层4、电子传输层5、界面修饰层6、金属电极层7依次从下到上排列，所述透明衬底层1通过绒面透明导电薄膜层2与空穴传输层3固定连接，所述空穴传输层3通过钙钛矿吸光层4与电子传输层5固定连接，所述电子传输层5通过界面修饰层6与金属电极层7固定连接。
作为优选，透明衬底层1的材质为玻璃或塑料。
作为优选，所述绒面透明导电薄膜层2的材质为FTO氟掺氧化锡、ITO铟掺氧化锡、AZO铝掺氧化锌、ATO铝掺氧化锡、IGO铟掺氧化鎵中的至少一种。
作为优选，所述空穴传输层3为NiO、CuSCN、CuI、ADO2型铜铁矿半导体材料、Cu2O、PbS、V2O5、MoO3、PEDOT:PSS(聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸)、PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])、Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)中的至少一种。
作为优选，所述钙钛矿吸光层4包括MQX3型钙钛矿材料，其中，所述M为Cs+、CH3NH3 +、CH(NH2)2 +中的至少一种，所述Q为Pb2+、Sn2+中的至少一种，所述X为Br-、I-、Cl-中的至少一种。
作为优选，所述绒面透明导电薄膜层2由深度为10-500nm、直径为5-100nm和间距为40-800nm的阵列化孔洞构成。
作为优选，空穴传输层3厚度为15-600nm，所述电子传输层5为富勒烯、富勒烯衍生物、TiO2、Zn2SnO4、SnO2、ZnO中的至少一种，所述的界面修饰层6为BCP、bis-C60、乙酰丙酮锆、LiF中的至少一种。
作为优选，所述金属电极层7为Ag、Cu、Al、Ni、Ti中的至少一种。
一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：在FTO玻璃表面沉积带有透明导电薄膜的衬底，FTO玻璃即为透明衬底层1，然后在带有透明导电薄膜的衬底表面进行刻蚀，得到带有阵列化孔洞的绒面透明导电薄膜层2，然后依次用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的绒面透明导电薄膜层2；
步骤二：在洁净的绒面透明导电薄膜层2的表面旋涂NiO、CuSCN、CuI、ADO2型铜铁矿半导体材料、Cu2O、PbS、V2O5、MoO3、PEDOT:PSS(聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸)、PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])、Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)中的至少一种，100℃处理10min，得到空穴传输层3，保证空穴传输层3能够完整填充和覆盖整个绒面透明导电薄膜层2，进而得到交错绒面结构的衬底；
步骤三、在交错绒面结构的衬底上的空穴传输层3的表面沉积MQX3型钙钛矿材料得到钙钛矿吸光层4；
步骤四、在钙钛矿吸光层4的表面上沉积富勒烯、富勒烯衍生物、TiO2、Zn2SnO4、SnO2或ZnO中的至少一种，得到电子传输层5，然后在电子传输层5上沉积BCP、bis-C60、乙酰丙酮锆、LiF中的至少一种，得到界面修饰层6；
步骤五、用热蒸镀法在界面修饰层6上真空蒸镀Ag、Cu、Al、Ni、Ti中的至少一种，得到金属电极，从而得到钙钛矿太阳能电池成品。
作为优选，所述步骤一中，刻蚀的方法为化学刻蚀或激光刻蚀或机械刻蚀。
本发明直接对传统的带有透明导电薄膜衬底进行简单刻蚀得到阵列化绒面，并在其表面覆盖空穴传输层，进而形成交错绒面结构的衬底，该制备工艺简单，降低了生产成本，更重要的是，这种交错绒面结构可以显著增加钙钛矿太阳能电池的入射光量，减少光损失，减反射效果好，提高器件的光子转换效率，增加器件电流，同时提高了器件的光电转换性能。另外，这种空穴传输层和透明导电薄膜的交错结构也能改善二者之间的有效界面接触，提高界面的空穴快速抽取和传输，降低电荷传输电阻，大幅提高器件的能量转换效率。
实施例2：
如图1所示，本发明所涉及的钙钛矿太阳能电池由绒面FTO玻璃、绒面PTAA空穴传输层、CH3NH3PbI3吸光层、C60电子传输层、BCP界面修饰层和银电极，如图2所示的具体制备步骤如下：
步骤(1)、衬底准备：先对FTO玻璃进行阵列化掩膜激光刻蚀，刻蚀孔洞深度为25nm，刻蚀孔洞直径为20nm，刻蚀孔洞间距为400nm，然后依次用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗20min，备用；
步骤(2)、空穴传输层的制备：在洁净的绒面FTO玻璃表面旋涂6mg ml-1PTAA苯溶液，100℃处理10min，得到沉积60nm厚度的致密PTAA空穴传输层，冷却待用；
步骤(3)、钙钛矿吸光层的制备：将摩尔比为1.003:1的PbI2粉末和CH3NH3I粉末混合溶解在DMF/DMSO(体积比为3:7)溶液中，并在常温下搅拌溶解完全。将该钙钛矿前驱液通过挤压涂布的方式涂布在PTAA致密层上，然后在100℃下加热20min，最终实现沉积510nm厚度的钙钛矿薄膜，从而得到钙钛矿吸光层；
步骤(4)、C60电子传输层、BCP界面修饰层和银电极的制备：在钙钛矿吸光层表面依次热蒸发沉积60nm C60、3nm BCP和110nm的银即可，控制真空度为4×10-4Torr。
对比例
现有技术中本发明所涉及的钙钛矿太阳能电池由Mo箔、MoOx致密层、CH3NH3PbI3吸光层、ZnO电子传输层、ITO透明电极层和银栅线，如图2所示的具体制备步骤如下：
步骤(1)衬底准备：无需对FTO玻璃进行任何处理，直接依次用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗20min，备用；
步骤(2)～步骤(4)同实施例二。
如图2所示，按照实施例2制备的带有交错绒面增透层的钙钛矿太阳能电池取得了17.1％的高能量转换效率，远高于对比例制备无减反层器件的13.9％，尤其是电流密度从19.6mA/cm2大幅增加至21.7mA/cm2，表明这种交错绒面增透层可以显著增加钙钛矿太阳能电池的入射光，降低光损失。
采用本发明提供的制备方法获得的钙钛矿太阳能电池，具有如下技术优点：(1)制备工艺简单。直接对普通的透明导电基板进行简单的表面阵列化刻蚀就能获得绒面透明导电基板，再结合空穴传输层的覆盖就能形成交错绒面增透层。(2)器件效率高。交错绒面增透层一方面显著增加了器件的入射光量，使光反射大幅降低，另一方面更良好的界面接触也改善了载流子的有效传输，器件性能得以提升(3)减反射效果好。从实施例和对比例制备的两组器件的性能参数对比可以明显看出这种交错绒面增透层优异的减反射效果。
需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括透明衬底层(1)、绒面透明导电薄膜层(2)、空穴传输层(3)、钙钛矿吸光层(4)、电子传输层(5)、界面修饰层(6)和金属电极层(7)，所述透明衬底层(1)、绒面透明导电薄膜层(2)、空穴传输层(3)、钙钛矿吸光层(4)、电子传输层(5)、界面修饰层(6)、金属电极层(7)依次从下到上排列，所述透明衬底层(1)通过绒面透明导电薄膜层(2)与空穴传输层(3)固定连接，所述空穴传输层(3)通过钙钛矿吸光层(4)与电子传输层(5)固定连接，所述电子传输层(5)通过界面修饰层(6)与金属电极层(7)固定连接。
2.根据权利要求1所述一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明衬底层(1)的材质为玻璃或塑料。
3.根据权利要求1所述一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述绒面透明导电薄膜层(2)的材质为FTO(氟掺氧化锡)、ITO(铟掺氧化锡)、AZO(铝掺氧化锌)、ATO(铝掺氧化锡)、IGO(铟掺氧化鎵)中的至少一种。
4.根据权利要求1所述一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层(3)为NiO、CuSCN、CuI、ADO2型铜铁矿半导体材料、Cu2O、PbS、V2O5、MoO3、PEDOT:PSS(聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸)、PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])、Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)中的至少一种。
5.根据权利要求1所述一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层(4)包括MQX3型钙钛矿材料，其中，所述M为Cs+、CH3NH3 +、CH(NH2)2 +中的至少一种，所述Q为Pb2+、Sn2+中的至少一种，所述X为Br-、I-、Cl-中的至少一种。
6.根据权利要求1所述一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述绒面透明导电薄膜层(2)由深度为10-500nm、直径为5-100nm和间距为40-800nm的阵列化孔洞构成。
7.根据权利要求1所述一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层(3)厚度为15-600nm，所述电子传输层(5)为富勒烯、富勒烯衍生物、TiO2、Zn2SnO4、SnO2、ZnO中的至少一种，所述的界面修饰层(6)为BCP、bis-C60、乙酰丙酮锆、LiF中的至少一种。
8.根据权利要求1所述一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述金属电极层(7)为Ag、Cu、Al、Ni、Ti中的至少一种。
9.一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：在透明衬底层(1)表面沉积带有透明导电薄膜的衬底，然后在带有透明导电薄膜的衬底表面进行刻蚀，得到带有阵列化孔洞的绒面透明导电薄膜层(2)，然后依次用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的绒面透明导电薄膜层(2)；
步骤二：在洁净的绒面透明导电薄膜层(2)的表面沉积空穴传输层(3)，保证空穴传输层(3)能够完整填充和覆盖整个绒面透明导电薄膜层(2)，进而得到交错绒面结构的衬底；
步骤三、在交错绒面结构的衬底上的空穴传输层(3)的表面沉积MQX3型钙钛矿材料得到钙钛矿吸光层(4)；
步骤四、在钙钛矿吸光层(4)的表面上沉积富勒烯、富勒烯衍生物、TiO2、Zn2SnO4、SnO2或ZnO中的至少一种，得到电子传输层(5)，然后在电子传输层(5)上沉积BCP、bis-C60、乙酰丙酮锆、LiF中的至少一种，得到界面修饰层(6)；
步骤五、用热蒸镀法在界面修饰层(6)上真空蒸镀Ag、Cu、Al、Ni、Ti中的至少一种，得到金属电极，从而得到钙钛矿太阳能电池成品。
10.根据权利要求9所述一种基于交错绒面增透结构层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，刻蚀的方法为化学刻蚀或激光刻蚀或机械刻蚀。
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