CN111162174A - 一种基于有机体异质结的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有机体异质结的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，所述的太阳能电池包括依次设置的衬底、阳极、空穴传输层、钙钛矿光活性层、电子传输层以及阴极，所述的阳极与阴极之间通过外加电源连接；所述的钙钛矿活性层采用有机体异质结溶液作为反溶剂。本方案通过将有机体异质结作为钙钛矿反溶剂引入钙钛矿活性层中，能提高钙钛矿在可见光范围的光吸收、同时有效拓宽其在近红外波段的吸收，进而提高器件的光生电流，同时，有机体异质结还能够填充在钙钛矿晶界处，减小钙钛矿层的缺陷态密度，进而减小自由载流子被捕获的几率，同时增大载流子传输速率，提高器件的填充因子和开路电压，提高器件质量。

Description

一种基于有机体异质结的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及光伏器件领域，尤其涉及一种基于有机体异质结的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿材料因为其优异的光电性质，如吸收系数高、禁带宽度可调节、电子迁移率和空穴迁移率高、激子结合能低、载流子扩散长度长、材料价格低廉以及兼容溶液法等，已经被广泛用于发光二极管、太阳能电池、激光器、探测器等光电器件领域。
自从2009年Miyasaka等人首次提出钙钛矿太阳能电池，实现了3.8％的能量转换效率。此后，科研人员通过钙钛矿材料工程、器件结构优化、界面工程等手段不断实现效率的提升，目前钙钛矿太阳能电池的最大能量转换效率已经超过24％。但是常用的铅基(APbX3， A为阳离子基团，X为卤素基团)钙钛矿，吸收光谱在300-800nm，近红外吸收波段的太阳光没有利用到，造成钙钛矿太阳能电池工作时近红外光对器件的光电流没有贡献。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于有机体异质结的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，在钙钛矿活性层引入有机体异质结，提高钙钛矿在可见光范围的光响应，同时将吸收光谱拓宽到近红外。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于有机体异质结的钙钛矿太阳能电池，所述的太阳能电池包括依次设置的衬底、阳极、空穴传输层、钙钛矿光活性层、电子传输层以及阴极，所述的阳极与阴极之间通过外加电源连接；所述的钙钛矿活性层采用有机体异质结溶液作为反溶剂。该方案通过将有机体异质结作为钙钛矿反溶剂引入钙钛矿活性层中，能提高钙钛矿在可见光范围的光吸收、同时有效拓宽其在近红外波段的吸收，以此提高了器件的光生电流。
优选的，所述钙钛矿光活性层，材料为有机、无机杂化ABX3型立方晶系结构。其中A为有机胺基团(例如CH3NH3 +1(MA+1)、CH(NH2)2 +1、Cs+1等的一元或多元组合)；B为第四主族金属；X为一元卤族元素或多元卤族元素的组合。
优选的，所述空穴传输层厚度为40-80nm，钙钛矿光活性层厚度为200-500nm，电子传输层厚度为40-80nm，阴极厚度为50-100nm。
值得一提的是，本方案中，阳极采用金属薄膜或金属氧化物薄膜，该金属氧化物薄膜可以是ITO薄膜或者氧化锌薄膜或氧化锡薄膜，该金属薄膜可以是金、铜、银等金属薄膜。本发明优选ITO薄膜作为阳极，导电性足够强、逸出功足够大、化学稳定性好，能将空穴注入到空穴传输层的电极。
空穴传输层，需采用空穴传输特性良好化学、稳定性好的有机聚合物材料，例如4,4'- 亚环己基双[N,N-二(对甲苯基)苯胺](TAPC)、聚[(9,9-二正辛基芴基-2,7-二基)-alt- (4,4'-(N-(4-正丁基)苯基)-二苯胺)](TFB)、聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺](poly-TPD)、聚[双 (4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)、聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS) 等的一种或多种组合。本发明空穴传输材料优选4,4'-亚环己基双[N,N-二(对甲苯基)苯胺] (TAPC)。
有机体异质结，选取有机太阳能电池常用的给受体材料，吸收光谱拓宽在近红外，有较好的相分离、载流子迁移率高等优势。例如聚(5,7-双(4-癸基-2-噻吩基)-噻吩并(3,4-b) 二噻唑-噻吩-2,5)：(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PDDTT：PC61BM)，聚[2,3-双(4-(2-乙基己氧基)苯基)-5,7二(噻吩-2-基)噻吩并[3,4-b]吡嗪]：6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PDTTP： PC61BM)，吡咯-1,4-二基}-alt-{[2,2'：5'，2″-三硫代烯]-5,5″-二基}]：苯基-C71-丁酸甲酯 (PDPP3T:PC71BM)，聚[[2,5-双(2-己基癸基2,3,5,6-四氢-3,6-二氧杂吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4- 二基]-alt[3'，3“-二甲基-2,2'：5'，2”-对噻吩]-5,5”-二基]:[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯 (PMDPP3T:PC70BM)等。
电子传输层，采用电子传输特性良好，电子亲和势成膜性较低和化学稳定性好的电子传输材料，例如金属氧化物(ZnO，TiO2，SnO2)，富勒烯C60、C70，富勒烯衍生物等如[6,6]- 苯基C61丁酸甲酯(PC61BM)，[6,6]-苯基C71丁酸甲酯(PC71BM)的任意一种或者多种的组合，本发明电子传输材料优选[6,6]-苯基C61丁酸甲酯(PC61BM)。
阴极，采用导电性足够强，逸出功足够小，化学稳定性好，能将电子注入到电子传输层的电极，优选功函数较低的材料，通常采用金属氧化物薄膜(如氧化铟锡ITO、氧化锌、氧化锡锌)或者金属薄膜(锂、镁、钙、锶、铝、铟或者铜、金、银等金属的合金)，所述阴极包括缓冲层，该缓冲层可以是无机化合物或者具有高LUMO的有机化合物，如ZnO、 LiF或CsF，本发明阴极材料优选Ag。
此外，本发明还公开了一种基于高反膜覆盖层的半透明钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对衬底进行清洗。
步骤2：在干燥处理后的衬底上旋涂空穴传输层，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱，以3000转每分的转速旋涂钙钛矿光活性层，以有机体异质结溶液作为钙钛矿的反溶剂，然后在120摄氏度下退火处理10分钟；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂电子传输层，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二极管器件结构蒸镀金属阴极。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明中，将有机体异质结作为钙钛矿反溶剂引入钙钛矿活性层中，能提高钙钛矿在可见光范围的光吸收、同时有效拓宽其在近红外波段的吸收，进而提高器件的光生电流。
2.本发明中，采用的有机体异质结能够填充在钙钛矿晶界处，减小钙钛矿层的缺陷态密度，进而减小自由载流子被捕获的几率，同时增大载流子传输速率，提高器件的填充因子和开路电压。
3.本发明中，采用的有机体异质结带有氨基基团，能够钝化钙钛矿由于阳离子迁移产生的阳离子空位，进而提高钙钛矿电池的稳定性和寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中钙钛矿太阳能的结构示意图。
图2为本发明实施例1(对照组)和实施例2、实施例3的外量子效率对比图。
图3为本发明实施例1(对照组)和实施例2、实施例3的能量转换效率对比图。
图4为本发明实施例4(对照组)和实施例5、实施例6的外量子效率对比图。
图5为本发明实施例4(对照组)和实施例5、实施例6的能量转换效率对比图。
图中标记：1-衬底，2-阳极，3-空穴传输层，4-钙钛矿光活性层，5-电子传输层，6-阴极，7-外加电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1所示，一种基于有机体异质结的钙钛矿太阳能电池，所述的太阳能电池包括依次设置的衬底1、阳极2、空穴传输层3、钙钛矿光活性层4、电子传输层5以及阴极6，所述的阳极2与阴极6之间通过外加电源7连接；所述的钙钛矿活性层4采用有机体异质结溶液作为反溶剂。
具体的，如图1所示，所述钙钛矿光活性层4，材料为有机、无机杂化ABX3型立方晶系结构。
具体的，如图1所示，所述空穴传输层3厚度为40-80nm，钙钛矿光活性层4厚度为200-500nm，电子传输层5厚度为40-80nm，阴极6厚度为50-100nm。
本发明提出了上述一种基于有机体异质结的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇对I TO玻璃衬底进行清洗后，然后进行干燥处理；
步骤2：在干燥处理后的I TO玻璃衬底上旋涂空穴传输层TAPC(8mg/ml，溶解在氯苯里)，然后进行退火处理；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱中，在基片上旋涂钙钛矿光活性层，以有机体异质结溶液作为钙钛矿的反溶剂，然后进行退火处理；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂电子传输层(PC61BM，20mg/ml)，然后进行退火处理；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二级管器件结构蒸镀金属阴极。
实施例1(作为实施例2和实施例3的对照组)
二极管器件结构从下至上依次为：
ITO/TAPC(40nm)/MAPbBrI2(300nm)/PC61BM(40nm)/Ag(100nm)
制备方法步骤如下：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对柔性衬底进行超声清洗。
步骤2：在干燥处理后的ITO玻璃衬底上旋涂TAPC(8mg/ml，溶解在氯苯里)作为空穴传输层，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱，以3000转每分的转速旋涂钙钛矿前驱体40秒(1.38mol的MAPbBrI2溶解在1ml的二甲基甲酰胺中)，旋涂过程中以200微升的氯苯作为反溶剂冲洗钙钛矿。然后在120摄氏度下退火处理10分钟；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂电子传输层PC61BM(以20mg/ml的浓度溶解在氯苯里)，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二极管器件结构蒸镀100nm的 Ag作为阴极。
实施例1制备的为器件1(Device 1)。
实施例2
二极管器件结构从下至上依次为：
ITO/TAPC(40nm)/MAPbBrI2-[PDDTTPCBM0.05mol/ml](300nm)/PC61BM(40nm)/Ag(100 nm)
制备方法步骤如下：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对柔性衬底进行超声清洗。
步骤2：在干燥处理后的ITO玻璃衬底上旋涂TAPC(8mg/ml，溶解在氯苯里)作为空穴传输层，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱，以3000转每分的转速旋涂钙钛矿前驱体40秒(1.38mol的MAPbBrI2溶解在1ml的二甲基甲酰胺中)，旋涂过程中以200微升的PDDTT： PCBM混合溶液(PDDTT：PCBM＝1:1，以0.05mol/ml的浓度溶解在氯苯中)作为反溶剂冲洗钙钛矿。然后在120摄氏度下退火处理10分钟；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂电子传输层PC61BM(以20mg/ml的浓度溶解在氯苯里)，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二极管器件结构蒸镀100nm的 Ag作为阴极。
实施例2制备的为器件2(Device 2)。
实施例3
二极管器件结构从下至上依次为：
ITO/TAPC(40nm)/MAPbBrI2-[PDDTT：PCBM，0.1mol/ml](300nm)/PC61BM(40nm)/Ag(100nm)
制备方法步骤如下：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对柔性衬底进行超声清洗。
步骤2：在干燥处理后的ITO玻璃衬底上旋涂TAPC(8mg/ml，溶解在氯苯里)作为空穴传输层，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱，以3000转每分的转速旋涂钙钛矿前驱体40秒(1.38mol的MAPbBrI2溶解在1ml的二甲基甲酰胺中)，旋涂过程中以200微升的PDDTT： PCBM混合溶液(PDDTT：PCBM＝1:1，以0.1mol/ml的浓度溶解在氯苯中)作为反溶剂冲洗钙钛矿。然后在120摄氏度下退火处理10分钟；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂电子传输层PC61BM(以20mg/ml的浓度溶解在氯苯里)，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二极管器件结构蒸镀100nm的 Ag作为阴极。
实施例3制备的为器件3(Device 3)。
实施例4(作为实施例5和实施例6的对照组)
二极管器件结构从下至上依次为：
ITO/TAPC(40nm)/Cs0.1FA0.8MA0.1PbI3(300nm)/PC61BM(40nm)/Ag(100nm)
制备方法步骤如下：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对柔性衬底进行超声清洗。
步骤2：在干燥处理后的ITO玻璃衬底上旋涂TAPC(8mg/ml，溶解在氯苯里)作为空穴传输层，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱，以3000转每分的转速旋涂钙钛矿前驱体40秒(1.58mol的Cs0.1FA0.8MA0.1PbI3溶解在1ml的二甲基甲酰胺中)，旋涂过程中以200微升的氯苯作为反溶剂冲洗钙钛矿。然后在120摄氏度下退火处理10分钟；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂电子传输层PC61BM(以20mg/ml的浓度溶解在氯苯里)，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二极管器件结构蒸镀100nm的 Ag作为阴极。
实施例4制备的为器件4(Device 4)。
实施例5
二极管器件结构从下至上依次为：
ITO/TAPC(40nm)/Cs0.1FA0.8MA0.1PbI3-[PDPP3T:PC71BM，0.05mol/ml](300nm)/PC61BM (40nm)/Ag(100nm)
制备方法步骤如下：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对柔性衬底进行超声清洗。
步骤2：在干燥处理后的ITO玻璃衬底上旋涂TAPC(8mg/ml，溶解在氯苯里)作为空穴传输层，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱，以3000转每分的转速旋涂钙钛矿前驱体40秒(1.58mol的Cs0.1FA0.8MA0.1PbI3溶解在1ml的二甲基甲酰胺中)，旋涂过程中以200微升的PDDTT：PCBM混合溶液(PDPP3T:PC71BM＝1:1，以0.05mol/ml的浓度溶解在氯苯中)作为反溶剂冲洗钙钛矿。然后在120摄氏度下退火处理10分钟；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂电子传输层PC61BM(以20mg/ml的浓度溶解在氯苯里)，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二极管器件结构蒸镀100nm的 Ag作为阴极。
实施例5制备的为器件5(Device 5)。
实施例6
二极管器件结构从下至上依次为：
ITO/TAPC(40nm)/Cs0.1FA0.8MA0.1PbI3-[PDPP3T:PC71BM-0.1mol/ml](300nm)/PC61BM (40nm)/Ag(100nm)
制备方法步骤如下：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对柔性衬底进行超声清洗。
步骤2：在干燥处理后的ITO玻璃衬底上旋涂TAPC(8mg/ml，溶解在氯苯里)作为空穴传输层，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱，以3000转每分的转速旋涂钙钛矿前驱体40秒(1.58mol的MAPbI3溶解在1ml的二甲基甲酰胺中)，旋涂过程中以200微升的 PDPP3T:PC71BM混合溶液(PDDTT：PCBM＝1:1，以0.1mol/ml的浓度溶解在氯苯中)作为反溶剂冲洗钙钛矿。然后在120摄氏度下退火处理10分钟；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂电子传输层PC61BM(以20mg/ml的浓度溶解在氯苯里)，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二极管器件结构蒸镀100nm的 Ag作为阴极。
实施例6制备的为器件6(Device 6)。
通过上述实施例及对应附图可知，本发明相较于传统的太阳能电池，能够提高电池的外量子效率及能量转化效率，实用性强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于有机体异质结的钙钛矿太阳能电池,其特征在于，所述的太阳能电池包括依次设置的衬底(1)、阳极(2)、空穴传输层(3)、钙钛矿光活性层(4)、电子传输层(5)以及阴极(6)，其中：
所述的阳极与阴极(6)之间通过外加电源(7)连接；
所述的钙钛矿光活性层(4)采用有机体异质结溶液作为反溶剂制备，所述的有机异质结为给受体材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于有机体异质结的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿光活性层(4)的材料为有机、无机杂化ABX3型立方晶系结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于有机体异质结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40-80nm，钙钛矿光活性层(4)厚度为200-500nm，电子传输层(5)厚度为40-80nm，阴极(6)厚度为50-100nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于有机体异质结的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对衬底(1)进行清洗。
步骤2：在干燥处理后的衬底上旋涂空穴传输层(3)，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱，以3000转每分的转速旋涂钙钛矿光活性层(4)，以有机体异质结溶液作为钙钛矿的反溶剂，然后在120摄氏度下退火处理10分钟；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂电子传输层(5)，然后在120摄氏度下退火处理20分钟；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二极管器件结构蒸镀金属阴极(6)。
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