CN111063809A - 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

本发明提供一种能够在低温下完成制备，制造方便，成本低，效率高的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，包括如下步骤，步骤一，在基底上通过制备导电层形成太阳能电池的阴极；并在阴极上，室温下采用磁控溅射制备氧化钛薄膜形成用于传输电子的电子传输层；步骤二，在电子传输层上制备钙钛矿吸光层；步骤三，在钙钛矿吸光层上依次制备用于传输空穴的空穴传输层和收集空穴的阳极得到太阳能电池。本发明所述的室温下制备氧化钛电子传输层的方法简单便捷、薄膜的均匀性较好、重复性高、可实现大规模的制造生产；用室温下磁控溅射方法制备的氧化钛薄膜作为电子传输层制备出高效率的钙钛矿太阳能电池，并且无需煅烧，使得整个生产过程都能在低温下进行。

Description

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本案是申请日为2015年08月14日，申请号为201510501239.1的发明专利申请的分案申请。
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
钙钛矿太阳能电池以其高效率、低成本、简单的电池结构以及较易的电池制备方法等优点而备受关注。由于钙钛矿材料具有较好的光吸收、较长的载流子传输距离、较弱的激子结合能以及极少的表面缺陷等优异性质，在短短的5年内，钙钛矿太阳能电池的认证效率已经突破了20％，使其成为一种潜在的极具竞争力的太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池一般采用三明治结构，将钙钛矿吸光层置于阴极和阳极之间。为了避免钙钛矿材料与电池的阴极和阳极直接接触而降低太阳能电池的效率，在吸光层和两电极之间添加界面层是必不可少的。一般采用一些有机小分子或聚合物作为钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料；采用金属氧化物作为电子传输材料。其中，电子传输层在高效率的钙钛矿太阳能电池中起着至关重要的作用。一般要求电子传输层在整个可见光区具有较高的透光性、较强的电子抽取能力、较小的载流子传输电阻等特点。目前，高效率钙钛矿太阳能电池中一般采用氧化钛、氧化锌、氧化铝等作为电子传输层。采用氧化钛电子传输层的钙钛矿太阳能电池表现出良好的性能，但是一般制备氧化钛的方法(包括喷雾热解法、溶液旋涂法以及溶胶凝胶法等)均需要大于450℃高温煅烧，显然，高温处理的过程需要较高的能耗且不能在柔性基底上制备，极大的限制了钙钛矿太阳能电池的推广应用。采用低温制备的氧化锌或氧化铝作为电子传输层时，虽然也可以制备出高效率的钙钛矿太阳能电池，但是电池的稳定性相对于氧化钛作为电子传输层时较差。因此，开发一种低温下制备的电子传输材料对钙钛矿太阳能电池的发展尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够在低温下完成制备，能够使用刚性或柔性基底，制造方便，成本低，效率高的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明一种钙钛矿太阳能电池制备方法，包括如下步骤，
步骤一，在基底上通过制备导电层形成太阳能电池的阴极；并在阴极上，室温下采用磁控溅射制备氧化钛薄膜形成用于传输电子的电子传输层；
步骤二，在电子传输层上制备钙钛矿吸光层；
步骤三，在钙钛矿吸光层上依次制备用于传输空穴的空穴传输层和收集空穴的阳极得到太阳能电池。
优选的，电子传输层为在室温下制备的20-300纳米的氧化钛薄膜，溅射功率是50-400瓦，靶材与样品的距离是10-30厘米。
优选的，在电子传输层上采用层层交替沉积法制备钙钛矿薄膜从而形成钙钛矿吸光层；具体的，先沉积50-100纳米氯化铅，然后沉积的厚度为300-600纳米的甲胺基碘，100-120℃下反应1-3小时，形成钙钛矿，重复此过程，直至形成厚度为200-500纳米的钙钛矿吸光层。
进一步，得到的钙钛矿吸光层冷却至室温后用异丙醇清洗除去过量的甲胺基碘；在钙钛矿吸光层上制备100-200纳米的空穴传输层。
优选的，所述的阴极采用氧化铟锡、掺氟氧化锡或掺铝氧化锌。
优选的，基底为包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚砜树脂和聚芳基酸酯的柔性基底，或是包括玻璃、硅片或不锈钢片的刚性基底。
本发明一种钙钛矿太阳能电池，包括依次层叠设置在基底上的阴极，电子传输层，钙钛矿吸光层，空穴传输层和阳极；阴极的厚度为100-300纳米；电子传输层采用室温下由磁控溅射制备的厚度为20-300纳米的氧化钛薄膜制成；钙钛矿吸光层的厚度为200-500纳米；空穴传输层的厚度为100-200纳米；阳极的厚度为30-200纳米。
优选的，阴极和/或与阳极为入射光朝向且设置栅格结构。
优选的，电子传输层，在可见光区的透光性大于90％，电子迁移率在10-4～10- 5cm2V-1s-1之间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述的室温下制备氧化钛电子传输层的方法简单便捷、薄膜的均匀性较好、重复性高、可实现大规模的制造生产；用室温下磁控溅射方法制备的氧化钛薄膜作为电子传输层制备出高效率的钙钛矿太阳能电池，并且无需煅烧，使得整个生产过程都能在低温下进行。由于薄膜较致密且厚度较薄，其在可见光区的透光性大于90％，同时电子迁移率也较大，在10-4～10-5cm2V-1s-1之间，可达到传统高温煅烧氧化钛薄膜的性能；利用室温制备的氧化钛薄膜作为太阳能电池的电子传输层，制备高效率的以刚性或柔性衬底作为基底的钙钛矿太阳能电池。
附图说明
图1是本发明所述的在刚性基底上室温制备的氧化钛薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图2是本发明所述的在柔性基底上室温制备的氧化钛薄膜作为电子传输层的柔性钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图中：阴极1，阴极中间层2，吸光层3，阳极中间层4，阳极5。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明利用磁控溅射的方法在刚性导电或柔性导电基底上室温下制备氧化钛薄膜电子传输层2。溅射功率是200瓦，靶材与样品的距离是17厘米。采用开尔文探针显微镜测试得到氧化钛薄膜的费米能级为是-4.14eV，传统的高温煅烧的氧化钛费米能级在-4.0eV附近，较小的费米能级与钙钛矿材料的导带能级之差较大，可以提供足够的电荷分离驱动力，有利于钙钛矿吸光层中电荷的分离；氧化钛薄膜电子传输层2在可见光区的透光性大于90％，电子迁移率在10-4cm2V-1s-1左右。在制备的氧化钛薄膜电子传输层2上依次热蒸发制备100纳米氯化铅以及600纳米甲胺基碘薄膜，然后在120℃下反应2小时，形成钙钛矿，重复此过程，直至钙钛矿吸光层3的厚度达到450纳米，冷却至室温后用异丙醇清洗除去过量的甲胺基碘。在钙钛矿吸光层3上制备170nm的空穴传输层4。将样品转移到热蒸发系统中蒸镀金属阳极5制备如图1和图2所示的钙钛矿太阳能电池结构。
对以刚性或柔性基底制备的钙钛矿太阳能电池进行I-V测试，刚性基底的器件短路电流是21.87mA/cm2，开路电压是1.03V，填充因子是72％，效率高达16.22％。柔性基底的器件短路电流是19.18mA/cm2，开路电压是1.02V，填充因子是64％，效率达到12.52％。此效率是目前柔性钙钛矿太阳能电池的最高效率。
本发明一种钙钛矿太阳能电池有如下特点(1)能够使用柔性材料做基底；(2)采用低温工艺；(3)所有材料均在低温下制备完成。更特别的是，使用室温环境下制备的氧化钛薄膜材料，制备高效率的钙钛矿太阳能电池；还能够使用刚性基底，使用室温制备的氧化钛薄膜制备刚性高效率钙钛矿太阳能电池，满足不同的使用需求。
实例1
一种钙钛矿太阳能电池制备方法，包括如下步骤，
步骤一，在采用不锈钢片的刚性基底上通过制备导电层形成太阳能电池的阴极1；并在厚度为230纳米且采用氧化铟锡的阴极1上，室温下采用磁控溅射制备氧化钛薄膜形成用于传输电子的电子传输层2；电子传输层2为在室温下制备的120纳米的氧化钛薄膜，溅射功率是150瓦，靶材与样品的距离是20厘米)。
步骤二，在电子传输层2上采用层层交替沉积法制备钙钛矿薄膜从而形成钙钛矿吸光层3；具体的，先沉积70纳米氯化铅，然后沉积的厚度为450纳米的甲胺基碘，100-120℃下反应3小时，形成钙钛矿，重复此过程，直至形成厚度为500纳米的钙钛矿吸光层3。
步骤三，将得到的钙钛矿吸光层3冷却至室温后用异丙醇清洗除去过量的甲胺基碘；在钙钛矿吸光层3上依次制备100纳米的用于传输空穴的空穴传输层4和厚度为200纳米收集空穴的阳极5得到太阳能电池。
得到的太阳能电池中，阴极和/或与阳极为入射光朝向且设置栅格结构；其中电子传输层2，在可见光区的透光性大于90％，电子迁移率在9×10-5cm2V-1s-1之间。
实例2
一种钙钛矿太阳能电池制备方法，包括如下步骤，
步骤一，在采用聚对苯二甲酸乙二醇酯的柔性基底上通过制备导电层形成太阳能电池的阴极1；并在厚度为100纳米且采用氧化铟锡的阴极1上，室温下采用磁控溅射制备氧化钛薄膜形成用于传输电子的电子传输层2；电子传输层2为在室温下制备的100纳米的氧化钛薄膜，溅射功率是50瓦，靶材与样品的距离是20厘米)。
步骤二，在电子传输层2上采用层层交替沉积法制备钙钛矿薄膜从而形成钙钛矿吸光层3；具体的，先沉积100纳米氯化铅，然后沉积的厚度为300纳米的甲胺基碘，100-120℃下反应2小时，形成钙钛矿，重复此过程，直至形成厚度为300纳米的钙钛矿吸光层3。
步骤三，将得到的钙钛矿吸光层3冷却至室温后用异丙醇清洗除去过量的甲胺基碘；在钙钛矿吸光层3上依次制备200纳米的用于传输空穴的空穴传输层4和厚度为100纳米收集空穴的阳极5得到太阳能电池。
得到的太阳能电池中，阴极和/或与阳极为入射光朝向且设置栅格结构；其中电子传输层2，在可见光区的透光性大于90％，电子迁移率为7×10-5cm2V-1s-1。
实例3
一种钙钛矿太阳能电池制备方法，包括如下步骤，
步骤一，在采用聚醚砜树脂的柔性基底上通过制备导电层形成太阳能电池的阴极1；并在厚度为200纳米且采用氧化铟锡的阴极1上，室温下采用磁控溅射制备氧化钛薄膜形成用于传输电子的电子传输层2；电子传输层2为在室温下制备的200纳米的氧化钛薄膜，溅射功率是200瓦，靶材与样品的距离是10厘米。
步骤二，在电子传输层2上采用层层交替沉积法制备钙钛矿薄膜从而形成钙钛矿吸光层3；具体的，先沉积80纳米氯化铅，然后沉积的厚度为400纳米的甲胺基碘，100-120℃下反应3小时，形成钙钛矿，重复此过程，直至形成厚度为280纳米的钙钛矿吸光层3。
步骤三，将得到的钙钛矿吸光层3冷却至室温后用异丙醇清洗除去过量的甲胺基碘；在钙钛矿吸光层3上依次制备100纳米的用于传输空穴的空穴传输层4和厚度为200纳米收集空穴的阳极5得到太阳能电池。
得到的太阳能电池中，阴极和/或与阳极为入射光朝向且设置栅格结构；其中电子传输层2，在可见光区的透光性大于90％，电子迁移率在4×10-5cm2V-1s-1之间。
实例4
一种钙钛矿太阳能电池制备方法，包括如下步骤，
步骤一，在采用聚芳基酸酯的柔性基底上通过制备导电层形成太阳能电池的阴极1；并在厚度为300纳米且采用掺氟氧化锡的阴极1上，室温下采用磁控溅射制备氧化钛薄膜形成用于传输电子的电子传输层2；电子传输层2为在室温下制备的20纳米的氧化钛薄膜，溅射功率是300瓦，靶材与样品的距离是30厘米。
步骤二，在电子传输层2上采用层层交替沉积法制备钙钛矿薄膜从而形成钙钛矿吸光层3；具体的，先沉积50纳米氯化铅，然后沉积的厚度为500纳米的甲胺基碘，100-120℃下反应1小时，形成钙钛矿，重复此过程，直至形成厚度为500纳米的钙钛矿吸光层3。
步骤三，将得到的钙钛矿吸光层3冷却至室温后用异丙醇清洗除去过量的甲胺基碘；在钙钛矿吸光层3上依次制备100纳米的用于传输空穴的空穴传输层4和厚度为30纳米收集空穴的阳极5得到太阳能电池。
得到的太阳能电池中，阴极和/或与阳极为入射光朝向且设置栅格结构；其中电子传输层2，在可见光区的透光性大于90％，电子迁移率在1×10-4cm2V-1s-1之间。
实例5
一种钙钛矿太阳能电池制备方法，包括如下步骤，
步骤一，在采用玻璃的刚性基底上通过制备导电层形成太阳能电池的阴极1；并在厚度为180纳米且采用掺铝氧化锌的阴极1上，室温下采用磁控溅射制备氧化钛薄膜形成用于传输电子的电子传输层2；电子传输层2为在室温下制备的300纳米的氧化钛薄膜，溅射功率是400瓦，靶材与样品的距离是15厘米。
步骤二，在电子传输层2上采用层层交替沉积法制备钙钛矿薄膜从而形成钙钛矿吸光层3；具体的，先沉积100纳米氯化铅，然后沉积的厚度为600纳米的甲胺基碘，100-120℃下反应3小时，形成钙钛矿，重复此过程，直至形成厚度为450纳米的钙钛矿吸光层3。
步骤三，将得到的钙钛矿吸光层3冷却至室温后用异丙醇清洗除去过量的甲胺基碘；在钙钛矿吸光层3上依次制备140纳米的用于传输空穴的空穴传输层4和厚度为30纳米收集空穴的阳极5得到太阳能电池。
得到的太阳能电池中，阴极和/或与阳极为入射光朝向且设置栅格结构；其中电子传输层2，在可见光区的透光性大于90％，电子迁移率在1×10-5cm2V-1s-1之间。
实例6
一种钙钛矿太阳能电池制备方法，包括如下步骤，
步骤一，在采用硅片的刚性基底上通过制备导电层形成太阳能电池的阴极1；并在厚度为230纳米且采用掺铝氧化锌的阴极1上，室温下采用磁控溅射制备氧化钛薄膜形成用于传输电子的电子传输层2；电子传输层2为在室温下制备的170纳米的氧化钛薄膜，溅射功率是100瓦，靶材与样品的距离是25厘米。
步骤二，在电子传输层2上采用层层交替沉积法制备钙钛矿薄膜从而形成钙钛矿吸光层3；具体的，先沉积60纳米氯化铅，然后沉积的厚度为300纳米的甲胺基碘，100-120℃下反应2小时，形成钙钛矿，重复此过程，直至形成厚度为200纳米的钙钛矿吸光层3。
步骤三，将得到的钙钛矿吸光层3冷却至室温后用异丙醇清洗除去过量的甲胺基碘；在钙钛矿吸光层3上依次制备140纳米的用于传输空穴的空穴传输层4和厚度为30纳米收集空穴的阳极5得到太阳能电池。
得到的太阳能电池中，阴极和/或与阳极为入射光朝向且设置栅格结构；其中电子传输层2，在可见光区的透光性大于90％，电子迁移率在5×10-5cm2V-1s-1之间。

Claims (9)

1.一种钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一，在基底上通过制备导电层形成太阳能电池的阴极(1)；并在阴极(1)上，室温下采用磁控溅射制备氧化钛薄膜形成用于传输电子的电子传输层(2)；
步骤二，在电子传输层(2)上制备钙钛矿吸光层(3)；
步骤三，在钙钛矿吸光层(3)上依次制备用于传输空穴的空穴传输层(4)和收集空穴的阳极(5)得到太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，电子传输层(2)为在室温下制备的20-300纳米的氧化钛薄膜，溅射功率是50-400瓦，靶材与样品的距离是10-30厘米。
3.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，在电子传输层(2)上采用层层交替沉积法制备钙钛矿薄膜从而形成钙钛矿吸光层(3)；具体的，先沉积50-100纳米氯化铅，然后沉积的厚度为300-600纳米的甲胺基碘，100-120℃下反应1-3小时，形成钙钛矿，重复此过程，直至形成厚度为200-500纳米的钙钛矿吸光层(3)。
4.根据权利要求3所述的一种钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，得到的钙钛矿吸光层(3)冷却至室温后用异丙醇清洗除去过量的甲胺基碘；在钙钛矿吸光层(3)上制备100-200纳米的空穴传输层(4)。
5.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，所述的阴极(1)采用氧化铟锡、掺氟氧化锡或掺铝氧化锌。
6.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，所述的基底为包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚砜树脂和聚芳基酸酯的柔性基底，或是包括玻璃、硅片或不锈钢片的刚性基底。
7.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括依次层叠设置在基底上的阴极(1)，电子传输层(2)，钙钛矿吸光层(3)，空穴传输层(4)和阳极(5)；
阴极(1)的厚度为100-300纳米；
电子传输层(2)采用室温下由磁控溅射制备的厚度为20-300纳米的氧化钛薄膜制成；
钙钛矿吸光层(3)的厚度为200-500纳米；
空穴传输层(4)的厚度为100-200纳米；
阳极(5)的厚度为30-200纳米。
8.根据权利要求7所述的一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，阴极和/或与阳极为入射光朝向且设置栅格结构。
9.根据权利要求7所述的一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，电子传输层(2)，在可见光区的透光性大于90％，电子迁移率在10-4～10-5cm2V-1s-1之间。
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