CN110890466A - 一种全印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全印刷介观钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池设置在衬底上，包括衬底上依次层叠设置的阴极层、电子传输层、介孔层、阻隔层、阳极层，钙钛矿薄膜填充在介孔层、阻隔层与阳极层中，钙钛矿薄膜的前驱体溶液中引入多羰基小分子添加剂。提高钙钛矿薄膜质量，填补钙钛矿缺陷，修饰钙钛矿晶界，从而提高钙钛矿太阳能电池的器件性能，解决了钙钛矿薄膜材料在介孔中的结晶难以控制，导致降低太阳能电池器件的性能问题，解决了全介观钙钛矿太阳能电池工艺重复性差、效率低的缺点。
Description
技术领域：
本发明涉及一种全印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
目前能源问题已经成为限制经济发展的瓶颈以及人类生活环境质量的绊脚石。传统能源如石油、煤矿、天然气等日渐减少，以及其过度使用所带来的环境污染问题，都迫使人们去寻找开发和利用新型的、可再生的、环境友好的绿色能源。在此背景下，太阳能、风能、生物能、水能、核能等新型的绿色能源被人们广泛的关注。其中太阳能具有储量巨大、绿色无害、分布广泛等一系列优点而备受人们青睐。太阳能电池能够将太阳能直接转换为电能，是一种有效地开发和利用太阳能的工具。目前商业化的太阳能电池主要是基于单晶硅、多晶硅的太阳能电池，然而其相对复杂的制备工艺，对原材料的苛刻要求等因素限制了硅太阳能电池的进一步发展。
近几年，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池取得了飞跃的进展，器件效率从最初的3.8％已经迅速提高到24.2％。这主要归因于钙钛矿材料为直接带隙半导体，具有光吸收能力强、结晶性好、电子与空穴迁移率高、带隙可调、双极载流子传导、制造成本低等特点，是制备太阳能电池的理想材料。钙钛矿材料的结构为ABX3型，其中A为MA、FA、铯或铷等，B为二价金属元素，如Pb、Sn或Sr等，X为卤族元素(Cl、Br、I)。虽然，钙钛矿太阳能电池已经取得了很大的成就，但还是存在着诸多问题，其中主要体现在对光、热、水的不稳定性，其次，常规制备钙钛矿太阳能电池的过程中，需要用到非常昂贵的空穴传输材料和金等贵金属作为电极材料，并且整个制备过程条件要求苛刻，工艺复杂，这严重制约了钙钛矿太阳能电池的产业化和商业化发展。
为了降低器件成本和简化器件工艺，专利文献CN103441217A中公开的一种基于钙钛矿类吸光材料的介观太阳能电池，其以导电玻璃为导电基板，沉积一定厚度例如50nm二氧化钛致密层后，自下而上以丝网印刷的方式依次制备二氧化钛纳米晶层，二氧化锆绝缘间隔层，碳电极空穴收集层。然而，在制备器件过程中，采用一步滴涂的工艺，将钙钛矿薄膜材料的前驱体溶液渗透至数微米的三层介孔结构中，由于钙钛矿薄膜材料在介孔中的结晶难以控制，导致器件中容易出现激子复合严重等问题，降低了太阳能电池器件的性能。
发明内容：
本发明的目的是提供一种全印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法，通过在钙钛矿前驱体DMF:DMSO溶液中引入多羰基小分子添加剂，提高钙钛矿薄膜质量，填补钙钛矿缺陷，修饰钙钛矿晶界，从而提高钙钛矿太阳能电池的器件性能，解决了钙钛矿薄膜材料在介孔中的结晶难以控制，导致太阳能电池器件性能降低的问题，解决了全介观钙钛矿太阳能电池工艺重复性差、效率低的缺点。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种全印刷介观钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池设置在衬底上，包括衬底上依次层叠设置的阴极层、电子传输层、介孔层、阻隔层、阳极层，钙钛矿薄膜填充在介孔层、阻隔层与阳极层中，钙钛矿薄膜的前驱体溶液中引入多羰基小分子添加剂。
所述多羰基小分子含2-8个羰基官能团。
特别地，所述多羰基小分子为三乙酸甘油酯、三丙酸甘油酯、1，3-二乙酰氧-2-(二乙酰氧甲氧基)丙烷、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、季戊四醇四乙酸酯、季戊四醇四(巯基乙酸)酯、季戊四醇三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸甘油酯、二甲基丙烯酸新戊二醇酯、新戊二醇二丙烯酸酯、乙二胺四乙酸、D-山梨糖醇六乙酸酯的一种以上。
所述衬底为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对萘二甲酸乙二醇酯中的一种。
所述钙钛矿薄膜具有ABX3结构：A为甲胺(MA)、甲脒(FA)、铯(Cs)、铷(Ru)中的一种以上，B为二价铅(Pb)、二价锡(Sn)、二价锶(Sr)中的一种以上,X为卤族元素氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)中的一种以上。
电子传输层的厚度为1-100nm，介孔层厚度为20-2000nm的，阻隔层厚度为0.1-5um的，阳极层厚度为2-30um。
所述阴极层为ITO、FTO、导电聚合物电极、银纳米线电极中的一种。
所述电子传输层为TiO2、SnO2、ZnO中的一种以上。
所述介孔层为TiO2、SnO2、MgO中的一种以上。
所述阻隔层为Al2O3、ZrO2、MgO中的一种以上。
所述阳极层为碳电极。
所述全印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)于玻璃衬底上表面均匀制备一层致密的厚度为1-100nm电子传输层，再于上制备一层厚度为20-2000nm的介孔层，再于上制备一层厚度为0.1-5um的阻隔层，最后，制备一层厚度为2-30um的碳电极作为阳极层，制备出全介观钙钛矿太阳能电池的骨架；
2)配制钙钛矿薄膜的前驱体溶液，其中，溶剂DMF与DMSO的体积比为1-8:1，多羰基小分子添加剂的浓度为0.1-30wt％，然后搅拌过夜，得到添加有多羰基小分子的钙钛矿薄膜的前驱体溶液；
3)步骤2)得到的添加有多羰基小分子的钙钛矿薄膜的前驱体溶液滴涂于步骤1)得到的全介观钙钛矿太阳能电池的骨架阳极层上，静置1-30分钟，钙钛矿薄膜填充在介孔层、阻隔层与阳极层中；然后退火处理得到目标电池。
退火处理温度在30-250℃，退火处理时间为10-200分钟。
本发明的有益效果如下：本发明通过在钙钛矿前驱体的DMF:DMSO溶液中引入多羰基小分子添加剂，提高钙钛矿薄膜质量，填补钙钛矿缺陷，修饰钙钛矿晶界，从而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性的同时降低了成本。该工艺能够很好地应用于DMF:DMSO混合溶剂体系，解决了钙钛矿薄膜材料在介孔中的结晶难以控制，导致降低太阳能电池器件的性能问题，解决了全介观钙钛矿太阳能电池工艺重复性差、效率低的缺点。并且，该系列多羰基小分子添加剂表现出低毒性、工艺简单、价廉易得等诸多特点，具有良好的产业化前景。
附图说明：
图1是本发明实施例1得到的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
其中，A、玻璃衬底，1、阴极层，2、电子传输层，3、介孔层，4、阻隔层，5、阳极层。
图2是本发明实施例1得到的钙钛矿太阳能电池的器件光电转换效率图。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
于ITO玻璃衬底上表面依次印刷制备阴极层1、电子传输层2、介孔层3、阻隔层4、阳极层5。电子传输层的厚度为10nm，介孔层厚度为200nm，阻隔层厚度为0.1um，阳极层厚度为2um。所述阴极层为ITO。所述电子传输层为TiO2。所述介孔层为TiO2。所述阻隔层为ZrO2、MgO中的一种。制备完成后，将浓度为2M、添加有三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的钙钛矿薄膜的前驱体溶液滴涂在阳极层5上，让其自由扩散，30分钟后，钙钛矿薄膜填充在介孔层、阻隔层与阳极层中，将其250℃退火处理30min，制备出全印刷钙钛矿太阳能电池。所述钙钛矿薄膜的前驱体溶液中三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的浓度为0.1wt％。所述钙钛矿薄膜为MAPbI3结构。
对得到的电池进行I-V测试，器件的短路电流是21.60mA/cm2，开路电压是0.957V，填充因子是57.62％，光电转换效率是11.92％。无添加剂器件的短路电流为20.62mA/cm2，开路电压为0.889V,填充因子为45.93％。
实施例2：
于FTO玻璃衬底上表面依次制备阴极层1、电子传输层2、介孔层3、阻隔层4、阳极层5。电子传输层的厚度为100nm，介孔层厚度为2000nm，阻隔层厚度为5um，阳极层厚度为30um。所述阴极层为FTO。所述电子传输层为SnO2、ZnO中的一种。所述介孔层为SnO2。所述阻隔层为Al2O3。制备完成后，将浓度度为2M、添加有为季戊四醇四丙烯酸酯的钙钛矿薄膜的前驱体溶液滴加在阳极层5上，让其自由扩散，10分钟后，将其100℃退火30min，制备出全印刷钙钛矿太阳能电池。所述钙钛矿薄膜的前驱体溶液中季戊四醇四丙烯酸酯的浓度为30wt％。所述钙钛矿薄膜为FASnCl3结构。对得到的电池进行I-V测试，器件的短路电流是21.34mA/cm2，开路电压是0.917V，填充因子是58.05％，光电转换效率是11.36％。
Claims (10)
1.一种全印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池设置在衬底上，包括衬底上依次层叠设置的阴极层、电子传输层、介孔层、阻隔层、阳极层，钙钛矿薄膜填充在介孔层、阻隔层与阳极层中，钙钛矿薄膜的前驱体溶液中引入多羰基小分子添加剂。
2.根据权利要求1所述的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述多羰基小分子含2-8个羰基官能团。
3.根据权利要求1或2所述的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述多羰基小分子为三乙酸甘油酯、三丙酸甘油酯、1，3-二乙酰氧-2-(二乙酰氧甲氧基)丙烷、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、季戊四醇四乙酸酯、季戊四醇四(巯基乙酸)酯、季戊四醇三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸甘油酯、二甲基丙烯酸新戊二醇酯、新戊二醇二丙烯酸酯、乙二胺四乙酸、D-山梨糖醇六乙酸酯的一种以上。
4.根据权利要求1或2所述的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述衬底为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对萘二甲酸乙二醇酯中的一种。
5.根据权利要求1或2所述的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿薄膜具有ABX3结构：A为甲胺、甲脒、铯、铷中的一种以上，B为二价铅、二价锡、二价锶中的一种以上，X为卤族元素氟、氯、溴、碘中的一种以上。
6.根据权利要求1或2所述的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，电子传输层的厚度为1-100nm，介孔层厚度为20-2000nm，阻隔层厚度为0.1-5um，阳极层厚度为2-30um。
7.根据权利要求1或2所述的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述阴极层为ITO、FTO、导电聚合物电极、银纳米线电极中的一种；所述电子传输层为TiO2、SnO2、ZnO中的一种以上。
8.根据权利要求1或2所述的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述介孔层为TiO2、SnO2、MgO中的一种以上；所述阻隔层为Al2O3、ZrO2、MgO中的一种以上；所述阳极层为碳电极。
9.权利要求1-3中任意一项权利要求所述的全印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)于衬底上表面均匀制备一层致密的厚度为1-100nm电子传输层，再于上制备一层厚度为20-2000nm的介孔层，再于上制备一层厚度为0.1-5um的阻隔层，最后，制备一层厚度为2-30um的碳电极作为阳极层，制备出全介观钙钛矿太阳能电池的骨架；
2)配制钙钛矿薄膜的前驱体溶液，其中，溶剂DMF与DMSO的体积比为1-8:1，多羰基小分子添加剂的浓度为0.1-30wt％，然后搅拌过夜得到添加有多羰基小分子的钙钛矿薄膜的前驱体溶液；
3)步骤2)得到的添加有多羰基小分子的钙钛矿薄膜的前驱体溶液滴涂于步骤1)得到的全介观钙钛矿太阳能电池的骨架阳极层上，静置1-30分钟，钙钛矿薄膜填充在介孔层、阻隔层与阳极层中；然后退火处理得到目标电池。
10.根据权利要求9所述的全印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，退火处理温度在30-250℃，退火处理时间为10-200分钟。
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