CN111162178A - 一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池 Download PDF

Info

Publication number
CN111162178A
CN111162178A CN201811318936.3A CN201811318936A CN111162178A CN 111162178 A CN111162178 A CN 111162178A CN 201811318936 A CN201811318936 A CN 201811318936A CN 111162178 A CN111162178 A CN 111162178A
Authority
CN
China
Prior art keywords
perovskite
layer
perovskite light
light absorption
solar cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811318936.3A
Other languages
English (en)
Inventor
王萌
韩阳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Zhisheng Ruixin Semiconductor Technology Co Ltd
Original Assignee
Xian Zhisheng Ruixin Semiconductor Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Zhisheng Ruixin Semiconductor Technology Co Ltd filed Critical Xian Zhisheng Ruixin Semiconductor Technology Co Ltd
Priority to CN201811318936.3A priority Critical patent/CN111162178A/zh
Publication of CN111162178A publication Critical patent/CN111162178A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/80—Constructional details
    • H10K30/88—Passivation; Containers; Encapsulations
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池，包括：导电玻璃；空穴传输层，位于所述导电玻璃上；复合钙钛矿吸光层，位于所述空穴传输层上；纳米二氧化钛/聚氨酯层，位于所述复合钙钛矿吸光层上；电子传输层，位于所述纳米二氧化钛/聚氨酯层上；对电极，位于所述电子传输层上。本发明实施例设置复合钙钛矿吸光层，改善钙钛矿膜连续性和均匀性不佳的问题，为大面积钙钛矿膜的制备奠定基础；在钙钛矿吸光层上制备疏水的纳米二氧化钛/聚氨酯层，减缓了钙钛矿材料的分解，延长了钙钛矿太阳能电池的寿命。

Description

一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池。
背景技术
近年来太阳能电池技术快速发展，而其中钙钛矿电池成为备受瞩目的一类电池，器件效率从2009年的3.8％迅速提高到了22.7％。钙钛矿电池具有高转化效率、制备简单、材料广泛、成本低廉等优点，应用前景十分广阔。
太阳能电池是一种利用光伏效应将光能转化为电能的器件。作为太阳能电池的吸光材料，钙钛矿材料在器件中起着吸收入射光的作用，在可见光区与近红外区具有较强的吸收带，是实现钙钛矿太阳能电池高效率的必备条件。在钙钛矿材料中，带隙可通过构成元素组分进行调控，从而得到较为合适的吸收带隙。钙钛矿电池制备成本低且可以通过简易溶液法制备，是极具潜力的可大规模商业化生产的能源材料。
虽然钙钛矿材料易于合成并且价格相对便宜，但是目前由钙钛矿制备大面积太阳能电池的光电转换效率较低，其主要原因在于现有工艺制备的钙钛矿膜连续性和均匀性不佳，导致太阳能电池各方面性能直线下降，从而限制了大面积钙钛矿膜的制备。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池，包括：
导电玻璃；
空穴传输层，位于所述导电玻璃上；
复合钙钛矿吸光层，位于所述空穴传输层上；
纳米二氧化钛/聚氨酯层，位于所述复合钙钛矿吸光层上；
电子传输层，位于所述纳米二氧化钛/聚氨酯层上；
对电极，位于所述电子传输层上。
在本发明的一个实施例中，所述复合钙钛矿吸光层的厚度为100～300nm。
在本发明的一个实施例中，所述复合钙钛矿吸光层包括若干个第一钙钛矿吸光层和若干个第二钙钛矿吸光层，其中，所述第一钙钛矿吸光层和第二钙钛矿吸光层均位于所述空穴传输层上，并且所述第一钙钛矿吸光层和所述第二钙钛矿吸光层呈带状间隔排列。
在本发明的一个实施例中，所述第一钙钛矿吸光层与所述第二钙钛矿吸光层的宽度比值为10：1。
在本发明的一个实施例中，所述第一钙钛矿吸光层的材料为Br-掺杂的CH3NH3I3，其中，Br-与I-的质量比为1:5～1:10；
所述第二钙钛矿吸光层的材料为CH3NH3Br3。
在本发明的一个实施例中，所述纳米二氧化钛/聚氨酯层的厚度为5～10nm。
在本发明的一个实施例中，所述聚氨酯为有机硅改性聚氨酯，其中所述有机硅改性聚氨酯中有机硅的质量分数为10％～25％。
在本发明的一个实施例中，所述纳米二氧化钛的粒径为15～30nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明通过设置复合钙钛矿吸光层，其中不同材料的钙钛矿膜在空穴传输层上间隔排列，可以促进光生载流子在钙钛矿吸光层横向流动，从而使得钙钛矿膜中载流子分布均匀，弥补钙钛矿膜的界面缺陷，改善钙钛矿膜连续性和均匀性不佳的问题，从而提高太阳能的转换效率，为大面积钙钛矿膜的制备奠定基础。
2、本发明通过在钙钛矿吸光层上制备一层纳米二氧化钛/聚氨酯层，由于纳米二氧化钛/聚氨酯层具有良好的疏水性，覆盖在钙钛矿吸光层上可以防止钙钛矿膜与氧气和水汽接触，从而减缓了钙钛矿材料的分解，延长了钙钛矿太阳能电池的寿命，为钙钛矿太阳能电池的产业化奠定了基础。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例制备的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池的结构示意图，该钙钛矿太阳能电池包括：导电玻璃1；空穴传输层2，位于导电玻璃1上；复合钙钛矿吸光层3，位于空穴传输层2上；纳米二氧化钛/聚氨酯层4，位于复合钙钛矿吸光层3上；电子传输层5，纳米二氧化钛/聚氨酯层4上；对电极6，位于电子传输层5上。
在一个具体实施例中，导电玻璃1为ITO导电玻璃或者FTO导电玻璃；优选的，导电玻璃1选用ITO导电玻璃。ITO是铟氧化物(In2O3，质量分数为90％)和锡氧化物(SnO2，质量分数为10％)的混合物，其费米能级的范围为4.5～5.0eV，具有较高的载流子浓度和较低的电阻率；在400～1000nm的波长范围内，ITO导电玻璃的透射率可达80％以上。
在一个具体实施例中，空穴传输层2的厚度为10～20nm，空穴传输层2的材料为PEDOT:PSS、CuPc、PT、Cu:NiOx、CuI、CuS中的一种或多种，优选的，空穴传输层2的厚度为12nm，空穴传输层2材料为PEDOT:PSS。
在一个具体实施例中，复合钙钛矿吸光层3的厚度为100～300nm；进一步的，复合钙钛矿吸光层3包括若干个第一钙钛矿吸光层31和若干个第二钙钛矿吸光层32，第一钙钛矿吸光层31和第二钙钛矿吸光层32均位于所述空穴传输层2上，第一钙钛矿吸光层31和第二钙钛矿吸光层32呈带状间隔排列；进一步的，第一钙钛矿吸光层31与第二钙钛矿吸光层32的宽度比值为10:1；进一步的，第一钙钛矿吸光层31的材料为Br-掺杂的CH3NH3I3，其中，Br-与I-的质量比为1:5～1:10，优选的Br-与I-的质量比为1:7；第二钙钛矿吸光层的材料为CH3NH3Br3。
本发明实施例通过设置复合钙钛矿吸光层，其中不同材料的钙钛矿膜在空穴传输层上间隔排列，可以促进光生载流子在钙钛矿吸光层横向流动，从而使得钙钛矿膜中载流子分布均匀，弥补钙钛矿膜的界面缺陷，改善钙钛矿膜连续性和均匀性不佳的问题，从而提高太阳能的转换效率，为大面积钙钛矿膜的制备奠定基础。
本发明实施例第一钙钛矿吸光层31与第二钙钛矿吸光层32的宽度比值采用10：1，可以使得钙钛矿膜中的载流子在较短时间内达到均匀分布的状态，同时使得复合钙钛矿吸光层与空穴传输层、电子传输层之间的能级匹配。
本发明实施例采用第一钙钛矿吸光层的材料采用Br-掺杂的CH3NH3I3，其中，Br-与I-的质量比为1:5～1:10，第二钙钛矿吸光层的材料采用CH3NH3Br3，采用1:5～1:10的Br-掺杂CH3NH3I3和CH3NH3Br3可以提高两种钙钛矿吸光层之间的能带匹配度，有利于光生载流子的横向流动。
在一个具体实施例中，纳米二氧化钛/聚氨酯层4的厚度为5～10nm，其中，二氧化钛与聚氨酯的质量比为2:5～5:1，优选的为3:5～4:5；纳米二氧化钛的粒径为15～30nm，优选的为20nm；优选的，聚氨酯为有机硅改性聚氨酯，其中有机硅为硅氧键(-Si-O-Si-)为骨架组成的聚硅氧烷，有机硅改性聚氨酯中有机硅的质量分数为10％～25％，优选的，有机硅的质量分数为15％。
本发明实施例在钙钛矿吸光层上制备纳米二氧化钛/有机硅改性聚氨酯层作为疏水涂层，纳米二氧化钛作为N型金属氧化物，在可见光区具有很好的透光性，并且当电子传输层为富勒烯时，二氧化钛的导带与富勒烯的能级十分匹配，有利于电子的提取和传输；有机硅改性聚氨酯具有良好的疏水性能，可以将钙钛矿膜保护起来，防止钙钛矿膜与氧气和水汽直接接触，减缓了钙钛矿材料的分解，提高了器件的稳定性，延长了钙钛矿太阳能电池的使用寿命。
本发明实施例的纳米二氧化钛/聚氨酯层采用5～10nm的厚度，不仅起到保护钙钛矿膜的作用，而且保证了电子的传输性能，从而提高了器件的效率；采用质量比为3:5～4:5的二氧化钛与聚氨酯既保证了电子的传输性能，有使得纳米二氧化钛/聚氨酯层充分发挥了疏水层的作用，对钙钛矿起到保护作用；采用质量分数为15％的有机硅改性聚氨酯，二氧化钛/聚氨酯层具有超疏水性，对钙钛矿材料的保护作用也最强。
在一个具体实施例中，电子传输层5的厚度为20～50nm，电子传输层5材料为富勒烯、ZnO、Al2O3中的一种或多种。
在一个具体实施例中，对电极6的厚度为100～300nm；对电极6通常采用功函数较低的金属作为阴极，以提高电子的注入和收集，比如Al、Ga、Mg、Ag等材料，优选的阴极材料选Ag，Ag的厚度为120nm。
本发明实施例通过设置复合钙钛矿吸光层，可以改善钙钛矿膜连续性和均匀性不佳的问题，为大面积钙钛矿膜的制备奠定基础。
本发明实施例采用纳米二氧化钛/有机硅改性聚氨酯作为疏水涂层，既提高了器件中电子的提取和传输能力，又提高了器件的稳定性，延长了钙钛矿太阳能电池的使用寿命。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池制备方法的流程示意图，包括步骤：
S1、清洗ITO导电玻璃1：首先将ITO导电玻璃依次在自来水、氢氧化钾溶液、去离子水、酒精、丙酮、异丙醇中声处理15min，然后将ITO导电玻璃烘干，并将干燥处理好的导电玻璃在紫外-臭氧条件下处理5～10min。
S2、制备空穴传输层2：首先将配置PEDOT:PSS水溶液，PEDOT:PSS和水的体积比为1:3，并将PEDOT:PSS水溶液声处理2h，使得PEDOT:PSS均匀分散；然后在臭氧处理的ITO导电玻璃上滴0.5ml的PEDOT:PSS水溶液进行旋涂，旋涂转速2000rpm，旋涂时间15-35s；然后将基片120℃加热处理15～20min。
S3、制备复合钙钛矿吸光层3：首先将基片放置在蒸镀机中蒸镀100～150nm的PbI2，蒸镀速率为0.2nm/s；其次，将第二钙钛矿吸光层进行掩膜覆盖，配置(40mg/ml的CH3NH3I+5.7mg/ml的CH3NH3Br3)in二甲基甲酰胺的前驱体混合溶液，采用喷涂法将混合溶液喷涂在PbI2薄膜的第一钙钛矿吸光层区域，停留10s，然后将基片在60℃下退火2min；然后，将第一钙钛矿吸光层进行掩膜覆盖，配置28mg/ml的CH3NH3Br3in二甲基甲酰胺的前驱体溶液，采用喷涂法将CH3NH3Br3溶液喷涂在PbI2薄膜的第二钙钛矿吸光层区域，停留10s，然后将基片在80℃下退火3min。
S4、制备纳米二氧化钛/聚氨酯层4：配置二氧化钛和有机硅改性聚氨酯的异丙醇分散液，超声处理30～50min，使二氧化钛与有机硅改性聚氨酯均匀分散，其中，二氧化钛与有机硅改性聚氨酯的质量比为3:5～4:5，分散液中w(TiO2+PU)＝10％，有机硅改性聚氨酯中有机硅的含量为15％；然后取300μl分散液滴加在钙钛矿吸光层上进行旋涂，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间30s；旋涂完毕后将基片在50℃下退火30min，然后在90℃下退火1h，使二氧化钛与有机硅改性聚氨酯充分反应并固化。
S5、制备电子传输层5：将基片放置在蒸镀机中蒸镀30nm的C60，蒸镀速率为0.1nm/s。
S6、制备对电极6：将基片放置在蒸镀机中蒸镀120nm的Ag，蒸镀速率为0.2nm/s。
本发明实施例的钙钛矿太阳能电池制备方法中，空穴传输层、复合钙钛矿吸光层、纳米二氧化钛/聚氨酯层、电子传输层之间的所采用厚度使得这几层材料之间的能级匹配达到较佳水平，使得载流子可以更有效的传输，从而一定程度上提高了电池的效率。
将制备的太阳能电池器件从真空腔取出即可，其结构示意图请参见图1。
在大气环境下测试制备的太阳能电池器件的电压-电流密度，请参见图3，图3位本发明实施例制备的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度曲线图，其能量转换效率为9.7％，开路电压为0.76V，短路电流17.76mA/cm3，填充因子为71.83％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括：
导电玻璃；
空穴传输层，位于所述导电玻璃上；
复合钙钛矿吸光层，位于所述空穴传输层上；
纳米二氧化钛/聚氨酯层，位于所述复合钙钛矿吸光层上；
电子传输层，位于所述纳米二氧化钛/聚氨酯层上；
对电极，位于所述电子传输层上。
2.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述复合钙钛矿吸光层的厚度为100～300nm。
3.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述复合钙钛矿吸光层包括若干个第一钙钛矿吸光层和若干个第二钙钛矿吸光层，其中，所述第一钙钛矿吸光层和第二钙钛矿吸光层均位于所述空穴传输层上，并且所述第一钙钛矿吸光层和所述第二钙钛矿吸光层呈带状间隔排列。
4.如权利要求3所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第一钙钛矿吸光层与所述第二钙钛矿吸光层的宽度比值为10：1。
5.如权利要求3所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第一钙钛矿吸光层的材料为Br-掺杂的CH3NH3I3，其中，Br-与I-的质量比为1:5～1:10；
所述第二钙钛矿吸光层的材料为CH3NH3Br3。
6.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述纳米二氧化钛/聚氨酯层的厚度为5～10nm。
7.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述聚氨酯为有机硅改性聚氨酯，其中所述有机硅改性聚氨酯中有机硅的质量分数为10％～25％。
8.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述纳米二氧化钛的粒径为15～30nm。
CN201811318936.3A 2018-11-07 2018-11-07 一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池 Pending CN111162178A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811318936.3A CN111162178A (zh) 2018-11-07 2018-11-07 一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811318936.3A CN111162178A (zh) 2018-11-07 2018-11-07 一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111162178A true CN111162178A (zh) 2020-05-15

Family

ID=70554530

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811318936.3A Pending CN111162178A (zh) 2018-11-07 2018-11-07 一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111162178A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115117254A (zh) * 2022-06-13 2022-09-27 华侨大学 钙钛矿太阳电池的改性方法和高效稳定钙钛矿太阳电池及其制备方法
WO2024066584A1 (zh) * 2022-09-29 2024-04-04 宁德时代新能源科技股份有限公司 钙钛矿电池、光伏组件、光伏发电系统及用电设备

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115117254A (zh) * 2022-06-13 2022-09-27 华侨大学 钙钛矿太阳电池的改性方法和高效稳定钙钛矿太阳电池及其制备方法
WO2024066584A1 (zh) * 2022-09-29 2024-04-04 宁德时代新能源科技股份有限公司 钙钛矿电池、光伏组件、光伏发电系统及用电设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107369766B (zh) 一种高质量金属氧化物电子传输层的钙钛矿太阳电池及其制备方法
CN111952454B (zh) 一种基于混合型电子传输层的有机光电探测器及其制备方法
CN108389969B (zh) 一种用于制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿层的绿色溶剂体系及混合溶液
CN107331775B (zh) 一种高质量电子传输层的钙钛矿太阳电池及其制备方法
CN113224241A (zh) 钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN210092130U (zh) 一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池
CN108011046A (zh) 一种钙钛矿表面原位法生长钙钛矿纳米线的方法及一种钙钛矿太阳能电池
CN111106251A (zh) 一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池
CN109273609A (zh) 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN111162178A (zh) 一种具有复合钙钛矿吸光层的钙钛矿太阳能电池
CN106025078B (zh) 一种平面异质结钙钛矿光伏电池及其制备方法
CN113782677A (zh) 一种太阳能电池器件及其制造方法
CN109166972A (zh) 一种双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法
EP2847769B1 (en) Method of making a transparent metal oxide electrode
CN112582543A (zh) 一种钙钛矿太阳能电池
CN111162180A (zh) 一种大面积钙钛矿太阳能电池
CN111106250A (zh) 一种具有纳米二氧化钛/聚氨酯保护层的钙钛矿太阳能电池
CN109326718A (zh) 一种双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法
CN111106249A (zh) 一种钙钛矿太阳能电池的防钙钛矿分解结构
CN210092131U (zh) 一种大面积钙钛矿太阳能电池
CN114914365A (zh) 一种具有倒置结构的钙钛矿/钙钛矿叠层太阳电池
CN111162169A (zh) 一种保护钙钛矿膜的大面积太阳能电池
CN112599674A (zh) 一种柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN112599681A (zh) 一种具有改进型金属电极的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN111106243A (zh) 一种具有透明保护层的钙钛矿太阳能电池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200515

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication