CN110459680B - 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池，属于太阳能电池技术领域，所述钙钛矿太阳能电池由下至上依次包括：衬底、透明电极、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和顶电极；所述电子传输层为纳米二氧化钛薄膜；所述界面修饰层为聚合物薄膜，本发明还提供了该钙钛矿太阳能电池的制备方法。该钙钛矿太阳能电池，通过在电子传输层上设置了聚合物薄膜的界面修饰层，提高了界面质量，通过表面能的降低提高钙钛矿的晶相质量，进而优化界面、提高钙钛矿吸光层的质量，有效提高了器件的开路电压和填充因子，从而使太阳能电池的能量转化效率显著提高。

Description

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着光电领域的蓬勃发展，钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells，PVSCs)的高能量转化效率(PCE)、低成本制造工艺以及与柔性技术的兼容性等特性完全符合商业要求，受到了全世界的关注，引起了许多学者的研究兴趣。近几年所生产的钙钛矿太阳能电池的能量转化效率也逐步提高，逐渐接近商业化硅基太阳能电池的能量转换效率。这可归因于钙钛矿的独特的性质，例如大电荷载流子迁移率和长电荷载流子扩散长度。
由于钙钛矿太阳能电池器件为钙钛矿吸光层夹在电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)之间的夹层结构，ETL和HTL的性质在很大程度上影响着PVSCs的器件性能。通过优化ETL和HTL可有效的改善器件性能，其中，对ETL表面进行表面修饰，改善ETL表面和ETL层/钙钛矿层的接触是提高器件性能的有效途径。
氧化钛薄膜普遍用作钙钛矿太阳能电池的电子传输层。相对于致密氧化钛ETL和介孔氧化钛ETL，纳米氧化钛ETL具有退火温度低、无需水解反应和光电性能可调节等优势。在柔性衬底和金属衬底的应用具有显著优势。而进一步通过聚合物薄膜对纳米氧化钛ETL进行界面修饰会有效降低其表面缺陷、粗糙度和表面能，有利于提高其上所制备钙钛矿吸光层的晶体质量，提高器件界面质量，从而提高器件的开路电压及填充因子，提升太阳能电池的PCE。
目前对纳米氧化钛ETL界面修饰报道很少，有学者使用有机光电材料如6,6-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)对纳米氧化钛ETL界面修饰。但PC61BM制备存在成本高，成膜性差，重复性稳定性较差的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用高分子聚合物薄膜修饰钙钛矿太阳能电池的纳米氧化钛ETL的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括：衬底、透明电极、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和顶电极；
所述电子传输层为纳米二氧化钛薄膜；所述界面修饰层为聚合物薄膜。
本发明还提供了一种用于制备上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将具有透明电极的衬底依次放入去离子水、丙酮、乙醇中进行超声波清洗，干燥后使用臭氧等离子体进行清洗；
步骤2：以乙醇为溶剂，配制5mg/mL的纳米二氧化钛溶液，以4000rpm的旋涂速度在透明电极上旋涂纳米二氧化钛溶液，然后进行退火处理，得到电子传输层；
步骤3：以氯苯为溶剂，配置浓度均为1mg/mL聚合物溶液，以3000rpm的旋涂速度在电子传输层上旋涂聚合物溶液，然后进行退火处理，得到界面修饰层，其中，所述聚合物溶液为聚苯乙烯溶液、聚甲基丙烯酸甲酯溶液或者聚乙烯醇；
步骤4：将钙钛矿前驱液滴在界面修饰层上，在1000rpm的条件下旋涂10s，然后在6000rpm的条件下旋涂15s，然后滴入氯苯，6000rpm旋涂5s后在100℃条件下加热20min，冷却，得到钙钛矿吸光层；
步骤5：将聚-3已基噻吩滴在钙钛矿吸光层上，在2000rpm的条件下旋涂15s，得到空穴传输层；
步骤6：在空穴传输层上，在3×10-4Pa的真空条件下，依次热蒸发8nm厚的三氧化钼和80nm厚的银、金或铝，得到钙钛矿太阳能电池。
本发明的有益效果在于：本发明提供的钙钛矿太阳能电池，在电子传输层上设置了聚合物薄膜的界面修饰层，提高了界面质量，通过表面能的降低提高钙钛矿的晶相质量，进而优化界面、提高钙钛矿光活性层(钙钛矿吸光层)的质量，有效提高了器件的开路电压和填充因子，从而使太阳能电池的能量转化效率显著提高。
附图说明
图1所示为本发明具体实施方式的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2所述为本发明具体实施方式的是实施例4制备的钙钛矿吸光层的XRD图；
图3所述为本发明具体实施方式的实验例1的电压-电流密度曲线；
图4所述为本发明具体实施方式的实验例2的电压-电流密度曲线。
标号说明：1、衬底；2、透明电极；3、电子传输层；4、界面修饰层；
5、钙钛矿吸光层；6、空穴传输层；7、顶电极。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：在ETL表面旋涂通用高分子聚合物界面修饰层，提高钙钛矿的晶相质量。
请参照图1至图4所示，本发明的一种钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括：衬底、透明电极、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和顶电极；
所述电子传输层为纳米二氧化钛薄膜；所述界面修饰层为聚合物薄膜。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的钙钛矿太阳能电池，在电子传输层上设置了聚合物薄膜的界面修饰层，提高了界面质量，通过表面能的降低提高钙钛矿的晶相质量，进而优化界面、提高钙钛矿光活性层(钙钛矿吸光层)的质量，有效提高了器件的开路电压和填充因子，从而使太阳能电池的能量转化效率显著提高。
进一步的，所述衬底为玻璃衬底或者塑料柔性衬底。
进一步的，所述电子传输层的厚度为10-100nm。
进一步的，所述界面修饰层的厚度小于10nm。
进一步的，所述聚合物薄膜的材质为非共轭聚合物。
进一步的，所述聚合物薄膜的材质为聚甲基丙烯酸甲、聚乙烯醇或聚苯乙烯。
进一步的，所述钙钛矿吸光层为有机/无机复合钙钛矿薄膜或无机钙钛矿薄膜。
进一步的，所述钙钛矿太阳能电池为n-i-p型正置结构。
本发明还提供了一种用于制备上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将具有透明电极的衬底依次放入去离子水、丙酮、乙醇中进行超声波清洗，干燥后使用臭氧等离子体进行清洗；
步骤2：以乙醇为溶剂，配制5mg/mL的纳米二氧化钛溶液，以4000rpm的旋涂速度在透明电极上旋涂纳米二氧化钛溶液，然后进行退火处理，得到电子传输层；
步骤3：以氯苯为溶剂，配置浓度均为1mg/mL聚合物溶液，以3000rpm的旋涂速度在电子传输层上旋涂聚合物溶液，然后进行退火处理，得到界面修饰层，其中，所述聚合物溶液为聚苯乙烯溶液、聚甲基丙烯酸甲酯溶液或者聚乙烯醇；
步骤4：将钙钛矿前驱液滴在界面修饰层上，在1000rpm的条件下旋涂10s，然后在6000rpm的条件下旋涂15s，然后滴入氯苯，6000rpm旋涂5s后在100℃条件下加热20min，冷却，得到钙钛矿吸光层；
步骤5：将聚-3已基噻吩滴在钙钛矿吸光层上，在2000rpm的条件下旋涂15s，得到空穴传输层；
步骤6：在空穴传输层上，在3×10-4Pa的真空条件下，依次热蒸发8nm厚的三氧化钼80nm厚的银、金或铝，得到钙钛矿太阳能电池。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的钙钛矿太阳能电池的制备方法，在制备太阳能电池的过程中，在ETL表面旋涂通用高分子聚合物，形成界面修饰层，有效地提高了钙钛矿光活性层的质量，提高了器件的开路电压和填充因子，使太阳能电池的能量转化效率显著提高。
进一步的，所述步骤2中退火处理的时间为20min，温度为100℃；所述步骤3中退火处理的时间为10min，温度为100℃。
进一步的，所述步骤4中钙钛矿前驱液的制备方法为：
步骤A：取碘化铅、溴化铅、碘甲脒和溴甲胺，加入超干混合溶剂搅拌溶解；所述超干混合溶剂为体积比为4:1的DMF:DMSO，得到A溶液；
步骤B：取碘化铯溶于DMSO中，得到B溶液；
步骤C：将A溶液和B溶液按体积比95：5混合均匀，得到钙钛矿前驱液。
实施例1：
一种钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括：衬底、透明电极、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和顶电极；
所述衬底为玻璃衬底；所述透明电极为铟锡氧化物薄膜；
所述电子传输层为纳米二氧化钛薄膜，所述电子传输层的厚度为40nm；
所述界面修饰层为聚甲基丙烯酸甲薄膜，所述界面修饰层的厚度为8nm；
所述钙钛矿吸光层具体成分为：Cs0.05FA0.81MA0.14PbI2.55Br0.45；
所述空穴传输层为具有较高空穴传输性能的有机或者无机空穴传输薄膜；
所述顶电极为银与介质层复合的具有捕获电子功能的电极；
所述钙钛矿太阳能电池为n-i-p型正置结构。
实施例2：
一种钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括：衬底、透明电极、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和顶电极；
所述衬底为玻璃衬底；所述透明电极为氟锡氧化物薄膜；
所述电子传输层为纳米二氧化钛薄膜，所述电子传输层的厚度为30nm；
所述界面修饰层为聚乙烯醇(PVA)薄膜，所述界面修饰层的厚度为9nm；
所述钙钛矿吸光层具体成分为：Cs0.05FA0.81MA0.14PbI2.55Br0.45；
所述空穴传输层为具有较高空穴传输性能的无机空穴传输薄膜；
所述顶电极为铝与介质层复合的具有捕获电子功能的电极；
所述钙钛矿太阳能电池为n-i-p型正置结构。
实施例3：
一种钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括：衬底、透明电极、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和顶电极；
所述衬底为玻璃衬底；所述透明电极为铝锌氧化物薄膜；
所述电子传输层为纳米二氧化钛薄膜，所述电子传输层的厚度为100nm；
所述界面修饰层为聚苯乙烯薄膜(PS)，所述界面修饰层的厚度为7nm；
所述钙钛矿吸光层具体成分为：Cs0.05FA0.81MA0.14PbI2.55Br0.45；
所述空穴传输层为具有较高空穴传输性能的有机空穴传输薄膜；
所述顶电极为金与介质层复合的具有捕获电子功能的电极；
所述钙钛矿太阳能电池为n-i-p型正置结构。
实施例4：
一种钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括：衬底、透明电极、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和顶电极；
所述衬底为玻璃衬底；所述透明电极为铟锡氧化物薄膜；
所述电子传输层为纳米二氧化钛薄膜，所述电子传输层的厚度为10nm；
所述界面修饰层为聚甲基丙烯酸甲薄膜，所述界面修饰层的厚度为8nm；
所述钙钛矿吸光层具体成分为：Cs0.05FA0.81MA0.14PbI2.55Br0.45；
所述空穴传输层为具有较高空穴传输性能的有机或者无机空穴传输薄膜；
所述顶电极为银与介质层复合的具有捕获电子功能的电极；
所述钙钛矿太阳能电池为n-i-p型正置结构。
上述钙钛矿太阳能电池的制备方法为：
步骤1：将具有透明电极的衬底依次放入去离子水、丙酮、乙醇中进行超声波清洗，干燥后使用臭氧等离子体进行清洗，其中，每次清洗的时间为20min；
步骤2：以乙醇为溶剂，配制5mg/mL的纳米二氧化钛溶液，以4000rpm的旋涂速度在透明电极上旋涂纳米二氧化钛溶液，然后进行退火处理，得到电子传输层，其中，退火处理的时间为20min，温度为100℃；
步骤3：以氯苯为溶剂，配置浓度均为1mg/mL聚合物溶液，以3000rpm的旋涂速度在电子传输层上旋涂聚合物溶液，然后进行退火处理，得到界面修饰层，其中，所述聚合物溶液为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液；
步骤4：将100μL钙钛矿前驱液滴在界面修饰层上，在1000rpm(加速度为200rpm/s)的条件下旋涂10s，然后在6000rpm(加速度为3000rpm/s)的条件下旋涂15s，然后滴入氯苯，6000rpm旋涂5s后在100℃条件下加热20min，冷却，得到钙钛矿吸光层；其中，退火处理的时间为10min，温度为100℃；
步骤5：将40μL的聚-3已基噻吩滴在钙钛矿吸光层上，在2000rpm的条件下旋涂15s，得到空穴传输层；
步骤6：在空穴传输层上，在3×10-4Pa的真空条件下，依次热蒸发8nm厚的三氧化钼80nm厚的银，得到钙钛矿太阳能电池；
所述步骤4中钙钛矿前驱液的制备方法为：
步骤A：取1.268g的碘化铅、0.202g的溴化铅、0.430g的碘甲脒和0.056g溴甲胺，加入1mL超干混合溶剂搅拌溶解；所述超干混合溶剂为体积比为4:1的DMF:DMSO，得到A溶液；
步骤B：取0.390g的碘化铯溶于1mL DMSO中，得到B溶液；
步骤C：将A溶液和B溶液按体积比95：5混合均匀，得到钙钛矿前驱液。
对比例1：
对比例1与实施例3的区别在于，对比例1没有设置界面修饰层，
实验例1：
测试实施例3和对比例1的钙钛矿太阳能电池的PCE，结果如图3所示。
实验例2：
测试实施例对比例1和实施例2及实施例4的钙钛矿太阳能电池的PCE，结果如图4所示。
从实验例1和实验例2可以看出，相较于没有界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，本发明提供的钙钛矿太阳能电池的能量转化效率(PCE)提高了2.16-2.36％。
综上所述，本发明提供的钙钛矿太阳能电池，在电子传输层上设置了聚合物薄膜的界面修饰层，提高了界面质量，通过表面能的降低提高钙钛矿的晶相质量，进而优化界面、提高了钙钛矿吸光层的质量，有效提高了器件的开路电压和填充因子，从而使太阳能电池的能量转化效率显著提高。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，由下至上依次包括：衬底、透明电极、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和顶电极；
所述电子传输层为纳米二氧化钛薄膜；所述界面修饰层为聚苯乙烯薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜中的一种；所述钙钛矿吸光层具体成分为：Cs0.05FA0.81MA0.14PbI2.55Br0.45；
所述钙钛矿太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
步骤1：将具有透明电极衬底依次放入去离子水、丙酮、乙醇中进行超声波清洗，干燥后使用臭氧等离子体进行清洗；
步骤2：以乙醇为溶剂，配制5 mg/mL的纳米二氧化钛溶液，以4000 rpm的旋涂速度在透明电极上旋涂纳米二氧化钛溶液，然后进行退火处理，得到电子传输层；
步骤3：以氯苯为溶剂，配置浓度1 mg/mL的聚合物溶液，以3000 rpm的旋涂速度在电子传输层上旋涂聚合物溶液，然后进行退火处理，得到界面修饰层，其中，所述聚合物溶液为聚苯乙烯溶液、聚甲基丙烯酸甲酯溶液或者聚乙烯醇溶液；
步骤4：将钙钛矿前驱液滴在界面修饰层上，在1000 rpm的条件下旋涂10 s，然后在6000 rpm的条件下旋涂15 s，然后滴入氯苯，6000 rpm旋涂5 s后在100 ℃条件下加热20min，冷却，得到钙钛矿吸光层；
步骤5：将聚-3 已基噻吩滴在钙钛矿吸光层上，在2000 rpm的条件下旋涂15s，得到空穴传输层；
步骤6：在空穴传输层上，在3×10-4 Pa的真空条件下，依次热蒸发8 nm厚的三氧化钼和80 nm厚的银、金或铝，得到钙钛矿太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底或者塑料柔性衬底。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层的厚度为10-100 nm。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述界面修饰层的厚度小于10 nm。
5.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-4任意一项所述的钙钛矿太阳能电池，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1：将具有透明电极衬底依次放入去离子水、丙酮、乙醇中进行超声波清洗，干燥后使用臭氧等离子体进行清洗；
步骤2：以乙醇为溶剂，配制5 mg/mL的纳米二氧化钛溶液，以4000 rpm的旋涂速度在透明电极上旋涂纳米二氧化钛溶液，然后进行退火处理，得到电子传输层；
步骤3：以氯苯为溶剂，配置浓度1 mg/mL的聚合物溶液，以3000 rpm的旋涂速度在电子传输层上旋涂聚合物溶液，然后进行退火处理，得到界面修饰层，其中，所述聚合物溶液为聚苯乙烯溶液、聚甲基丙烯酸甲酯溶液或者聚乙烯醇溶液；
步骤4：将钙钛矿前驱液滴在界面修饰层上，在1000 rpm的条件下旋涂10 s，然后在6000 rpm的条件下旋涂15 s，然后滴入氯苯，6000 rpm旋涂5 s后在100 ℃条件下加热20min，冷却，得到钙钛矿吸光层；
步骤5：将聚-3 已基噻吩滴在钙钛矿吸光层上，在2000 rpm的条件下旋涂15s，得到空穴传输层；
步骤6：在空穴传输层上，在3×10-4 Pa的真空条件下，依次热蒸发8 nm厚的三氧化钼、80 nm厚的银、金或铝，得到钙钛矿太阳能电池。
6.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤2中退火处理的时间为20 min，温度为100 ℃；所述步骤3中退火处理的时间为10 min，温度为100℃。
7.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤4中钙钛矿前驱液的制备方法为：
步骤A：取碘化铅、溴化铅、碘甲脒和溴甲胺，加入超干混合溶剂搅拌溶解，得到A溶液；所述超干混合溶剂为体积比为4:1的DMF:DMSO；
步骤B：取碘化铯溶于DMSO中，得到B溶液；
步骤C：将A溶液和B溶液按体积比95：5混合均匀，得到钙钛矿前驱液。
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