CN111029470B - 基于纳米草状介孔层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体光电子器件领域，具体为一种基于纳米草状介孔层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本发明太阳能电池的结构包括透明衬底、第一电极层、功能层、第二电极层；功能层包括电子传输层、钙钛矿光吸收层和空穴传输层。本发明制备方法如下：采用液相沉积法在透明导电玻璃衬底的垂直方向上生长出片状单晶纳米草结构的金属氧化物，作为太阳能电池的电子或空穴传输层材料；片状单晶纳米草状金属氧化物的表面由原子结构组成，其化学能高，能够促进传输层与钙钛矿的表面配位、形成最佳的界面耦合，从而为激子解离、载流子注入和输运提供大面积界面和高能位，改善载流子界面动力学过程，提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

Description

基于纳米草状介孔层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种基于纳米草状介孔层的高效钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
太阳能是可再生清洁能源的重要组成部分，对其进行有效利用不仅能够满足人们日益增长的能源需求，也能够帮助缓解因开采化石能够带来的环境污染问题。有机无机杂化钙钛矿电池因其工艺简单、成本低廉、能量转化效率高等诸多优势，被认为是最具有前景的新一代光伏技术。经过近十年快速发展，其能量转化效率已经从最初的3.8%提升到了目前最高认证的25.2%。该效率已能与硅基太阳能电池相媲美。
在钙钛矿太阳能电池中，电子传输层或空穴传输层与钙钛矿界面处的高效载流子传输和提取、载流子在电极处的高收集效率等条件是制备高性能钙钛矿太阳能电池的基础。介孔型正置钙钛矿太阳能电池中，介孔二氧化钛因其结构能与钙钛矿材料形成异质结而被广泛使用为电子传输层。然而，其惰性101面、大量的封闭孔状结构以及与钙钛矿形成大量的晶界限制了其进一步发展。因此，设计全新的纳米结构，改善载流子在界面处的传输特性，提高介孔型钙钛矿太阳能电池的器件性能显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种性能好、成本低、工艺简单的基于纳米草状介孔层的高效钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
本发明提供的基于纳米草状介孔层的高效钙钛矿太阳能电池，通过叠层制备工艺制备得到，其结构由下至上依次包括：透明衬底，第一电极层，功能层，第二电极层；其中：
所述透明衬底为石英材质硬质玻璃衬底或柔性PET或柔性PEN衬底。石英材质硬质玻璃衬底耐高温、透光率高；
所述第一电极层位于透明衬底之上，其材质为金属氧化物，例如为ITO或FTO；
所述功能层位于第一透明电极层之上，功能层由下至上依次为电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层，或者为空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层；
所述电子传输层的材料可以为但不限于电子传输层材料为二氧化钛（TiO2）、二氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）、富勒烯衍生物（PCBM）和富勒烯（C60）等，厚度为20-500nm；
电子传输层材料为金属氧化物时，其结构特征垂直方向生长在ITO或FTO上具有高能表面的片状单晶纳米草状；
所述空穴传输层材料可以为但不限于2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）、氧化镍（NiOx）和3-己基噻吩聚合物（P3HT）或PTAA等，厚度为20-500 nm；
空穴传输层材料为金属氧化物时，其结构特征垂直方向生长在ITO或FTO上具有高能表面的片状单晶纳米草状；
所述钙钛矿光吸收层的材料可以为但不限于(FAPbI3)1−x(MAPbBr3)x) 、MAPbI3、MAPbI3-xClx或Cs0.05(MA0.13FA0.87)0.95Pb(I0.87Br0.13)3，厚度为400-750 nm；
所述第二电极层位于功能层之上，其材质为Au、Ag或Al。厚度为50-100nm。
本发明有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备工艺,包括以下步骤：
（1）对透明衬底进行清洗、干燥及表面亲水性改善；
（2）室温条件下，在洗净的透明衬底上制备第一电极层；
（3）室温条件下，在第一电极层上，采用传统的液相沉积法制备片状单晶纳米草状结构的金属氧化物电子传输层。在水氧含量均低于1 ppm的手套箱中，采用溶液法在电子传输层上依次制备钙钛矿光吸收层、空穴传输层；
或者室温条件下，在第一电极层上采用液相沉积法制备片状单晶纳米草状结构的金属氧化物空穴传输层。在水氧含量均低于1 ppm的手套箱中，采用溶液法在空穴传输层上依次制备钙钛矿光吸收层、电子传输层；
（4）将制备好的样品放入真空蒸发镀膜机内，蒸镀形成第二电极层，完成钙钛矿太阳能电池的制备。
本发明提供的基于纳米草状介孔层的高效钙钛矿太阳能电池，其工作原理为：当太阳光照射到电极上，钙钛矿吸收层吸收可见光、紫外光，在吸光层内产生激子，激子运动到吸光层、电荷（电子、空穴）传输层界面，在自建电场的作用下，电子和空穴分离，电子传输层传输电子到阴极，空穴传输层传输空穴到达阳极，形成串联光电流。电荷传输层包括电子传输层和空穴传输层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）相比于传统的介孔TiO2基钙钛矿太阳能电池，本发明所涉及的钙钛矿太阳能电池采用垂直生长在导电衬底上的片状单晶纳米草结构金属氧化物作为载流子传输层材料，具有高能表面，能够促进传输层与钙钛矿的表面配位、形成最佳的界面耦合。因此，片状单晶纳米草状结构为激子解离、载流子注入和输运提供了大面积界面和高能位，改善载流子界面动力学过程，提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。进而改善了载流子的界面动力学过程，增强光生载流子的传输与提取，提高钙钛矿太阳能电池的性能；
（2）本发明所涉及的钙钛矿太阳能电池制备过程采用溶液法，具有制备工艺简单、成本低等优点。可以有效提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率并使其具有更大的市场潜力。
本发明为一种基于纳米草状介孔层的高效钙钛矿太阳能电池。采用传统的液相沉积法在透明导电玻璃衬底的垂直方向上生长出片状单晶纳米草结构的金属氧化物作为太阳能电池的电子或空穴传输层材料，片状单晶纳米草状金属氧化物的表面由原子结构组成，具有高化学能，能够促进传输层与钙钛矿的表面配位、形成最佳的界面耦合，为激子解离、载流子注入和输运提供了大面积界面和高能位，改善载流子界面动力学过程，帮助提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例1中基于纳米草状介孔层的高效钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图2为纳米草结构示意图。
图中标号：101是透明衬底，102是第一透明电极层，103是电子传输层，104是钙钛矿光吸收层，105是空穴传输层，106是第二电极层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
一种基于纳米草状介孔层的高效钙钛矿太阳能电池的结构如图1所示：101是透明衬底、102是第一电极层、103是电子传输层、104是钙钛矿光吸收层、105是空穴传输层、106是第二电极层。透明衬底为石英玻璃；第一透明电极层为ITO，厚度为180 nm；电子传输层为高能001面片状单晶纳米草结构TiO2，厚度为80 nm；钙钛矿层为Cs0.05(MA0.13FA0.87)0.95Pb(I0.87Br0.13)3，厚度为450 nm；空穴传输层为Spiro-OMeTAD，厚度为100nm；第二电极层为金，厚度为80 nm。
实施例1中的钙钛矿太阳能电池的制备方法如下：
ITO导电玻璃依次用玻璃清洗液、丙酮、乙醇清洗，干燥后用紫外臭氧清洗机除去残留的有机物；将5mL、浓度为0.1 M的六氟钛酸铵和5mL、浓度为0.2 M的硼酸混合形成生长液。然后，在生长液中加入5mL、浓度为0.2 M的六亚甲基四胺，摇晃10min使其均匀。采用塑料回形针将两片洗净的ITO衬底固定，将ITO面朝外，悬挂浸入上述准备的生长液，在室温条件下水浴生长25h。生长完成后取出，用去离子水冲洗数分钟，使用氮气气枪吹干ITO面，并在270℃的热台上退火60min，获得厚度为80nm的锐钛矿型纳米草结构TiO2电子传输层，其结构示意图如图2所示。在体积比为4:1的二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的混合溶液中加入碘甲脒、溴甲胺、溴化铅和碘化铅，所述碘化铅、氯化铅和碘甲胺的质量分别为117.97mg、22.39mg，80.74mg和507.1mg。另加入45μL，浓度为194.86mg/0.5mL DMSO的CsI溶液。在手套箱中60℃恒温搅拌2h，形成黄色均匀的钙钛矿前驱体溶液；将所得的钙钛矿前驱体溶液用反溶液法旋涂于修饰后的电子传输层上，形成均匀的Cs0.05(MA0.13FA0.87)0.95Pb(I0.87Br0.13)3薄膜，在100℃下退火60 min，获得致密的钙钛矿光吸收层。在1mL氯苯中加入72.3mgSpiro-OMeTAD，17.5μL二（三氟甲磺酰）亚胺锂（Li-TFSI），浓度为520mg/mL，25μL FK209，浓度为300mg/mL，4-叔丁基吡啶29μL，在室温下搅拌3h形成空穴传输层溶液；将所得的空穴传输层溶液旋涂于钙钛矿光吸收层上，形成空穴传输层。最后，通过热蒸发在空穴传输层上蒸镀金电极，厚度为85nm，完成钙钛矿太阳能电池的制备。
实施例2
一种基于纳米草状介孔层的高效钙钛矿太阳能电池的结构从下往上依次为：透明衬底、第一电极层、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层、第二电极层。透明衬底为石英玻璃；第一透明电极层为ITO，厚度为180nm；空穴传输层为片状单晶纳米草状NiOx，厚度为40 nm；钙钛矿层为Cs0.05(MA0.13FA0.87)0.95Pb(I0.87Br0.13)3，厚度为450 nm；电子传输层为PCBM，厚度为50nm；第二电极层为银，厚度为80 nm。
实施例2中的钙钛矿太阳能电池的制备方法如下：
ITO导电玻璃依次用玻璃清洗液、丙酮、乙醇清洗，干燥后用紫外臭氧清洗机除去残留的有机物；采用传统的液相沉积法制备处厚度为40 nm的纳米草结构NiOx空穴传输层。在体积比为4:1的二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的混合溶液中加入碘甲脒、溴甲胺、溴化铅和碘化铅，所述碘化铅、氯化铅和碘甲胺的质量分别为117.97mg、22.39mg，80.74mg和507.1mg。另加入45μL，浓度为194.86mg/0.5mL DMSO的CsI溶液。在手套箱中60℃恒温搅拌2h，形成黄色均匀的钙钛矿前驱体溶液；将所得的钙钛矿前驱体溶液用反溶液法旋涂至修饰后的电子传输层上，形成均匀的Cs0.05(MA0.13FA0.87)0.95Pb(I0.87Br0.13)3薄膜，在100℃下退火60 min，获得致密的钙钛矿光吸收层。在1mL氯苯中加入20 mg PCBM，在室温下搅拌3h形成电子传输层溶液；将所得的电子传输层溶液旋涂钙钛矿光吸收层上，形成电子传输层。最后，通过热蒸发在电子传输层上蒸镀Ag电极，厚度为90nm，完成钙钛矿太阳能电池的制备。
本发明所涉及的钙钛矿太阳能电池的能量转换效率可以达到21.60%。
最后说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而并非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于纳米草状介孔层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，其器件结构由下至上依次为：透明衬底、第一电极层、功能层、第二电极层；其中：
所述第一电极层位于透明衬底之上，其材质为透明的金属氧化物；
所述功能层位于第一电极层之上，功能层由下至上依次为电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层，或者为空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层；
所述第二电极层位于功能层上方，其材质为金属；
所述第一电极层采用透明金属氧化物ITO或FTO；
所述电子传输层材料为金属氧化物，其结构特征为垂直方向生长在ITO或FTO上具有高能表面的片状单晶纳米草状；或所述空穴传输层材料为金属氧化物，其结构特征为垂直方向生长在ITO或FTO上具有高能表面的片状单晶纳米草状。
2.根据权利要求1所述的基于纳米草状介孔层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：
所述空穴传输层材料选自2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、氧化镍和3-己基噻吩聚合物，厚度为20-500 nm；
所述电子传输层材料选自二氧化钛、二氧化锡、氧化锌、富勒烯衍生物和富勒烯，厚度为20-500nm；
所述钙钛矿光吸收层材料选自(FAPbI3)1−x(MAPbBr3)x、MAPbI3、FAPbI3、MAPbI3-xClx和Cs0.05(MA0.13FA0.87)0.95Pb(I0.87Br0.13)3，其厚度为400-750 nm。
3.根据权利要求2所述的基于纳米草状介孔层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第二电极层的材质为金属Au、Ag或Al，厚度50-100nm。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于纳米草状介孔层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明衬底材料为石英材质硬质玻璃衬底或柔性PET或柔性PEN衬底。
5.一种如权利要求1-4之一所述的基于纳米草状介孔层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）对透明衬底进行清洗、干燥及表面亲水性改善；
（2）室温条件下，在洗净的透明衬底上制备第一电极层；
（3）室温条件下，在第一电极层上，采用液相沉积法制备片状单晶纳米草状结构的金属氧化物电子传输层；在水氧含量均低于1 ppm的手套箱中，采用溶液法在电子传输层上依次制备钙钛矿光吸收层、空穴传输层；
或者室温条件下，在第一电极层上采用液相沉积法制备片状单晶纳米草状结构的金属氧化物空穴传输层；在水氧含量均低于1 ppm的手套箱中，采用溶液法在空穴传输层上依次制备钙钛矿光吸收层、电子传输层；
（4）将制备好的样品放入真空蒸发镀膜机内，蒸镀形成第二电极层，完成钙钛矿太阳能电池的制备。
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