CN111211230B - 一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件及制备方法 - Google Patents

一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件及制备方法。在电子传输层上，以能级相互匹配的两种钙钛矿/量子点为活性层原料，溶解于溶剂中，采用旋涂法，提拉法或刮膜法方式，将两种材料相互叠加若干次成膜，得到钙钛矿/量子点多层叠加的具有不同吸光波段的吸光层。本发明采用低温制备钙钛矿活性层的方法，所得到的太阳能电池器件可实现太阳光全光谱吸收，效率高，重复性好，且具有良好的稳定性；本发明提供的制备方法工艺简单便捷、成本低廉，薄膜均匀性好，可实现大规模生产。

Description

一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件及制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池凭借其材料具有较好的光吸收能力、较低的激子结合能以及较长的载流子扩散长度等优异性质，在过去的几年内备受关注，电池的光电转换效率迅速攀升至22.1%。另外，钙钛矿太阳能电池具有较为简单的电池结构、简易的溶液法制备过程以及低成本等特点，逐渐成为一种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电子传输层和空穴传输层之间。其中，小分子或聚合物常用作电池的空穴传输材料，金属氧化物常用作电子传输材料。其中，活性层（光吸收层）在高效率的钙钛矿太阳能电池中起着至关重要的作用。传统的液相制备钙钛矿电池通常采用将钙钛矿前驱体溶液溶解在DMF(二甲基亚砜), MDSO(N’ N二甲基酰胺)或GBL(γ-丁内酯)的混合溶剂中，并通过旋涂，刮涂，提拉等方法将膜制备在导电基底上并通过加热，吹干或反溶剂法将溶剂去除使钙钛矿前驱体结晶成为钙钛矿薄膜。该方法优点在于成膜快，结晶性好。但缺点在于只能制备单层薄膜，无法将入射光全光谱能量完全吸收，且无法与其他种类太阳能电池直接组合提高光电转化效率和稳定性。
发明内容
本发明针对目前钙钛矿太阳能电池稳定性和转换效率方面存在的不足，提供一种制备工艺简单，成本低，重复率高，具有高效、稳定特点的全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
提供一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，在阴极基底上，采用水热法，旋涂法，热蒸发法或提拉法方式制备无机电子传输层或PCBM有机电子传输层；所述的无机电子传输层为TiO2, ZnO或SnO2；
步骤二，在电子传输层上，以能级相互匹配的两种钙钛矿/量子点为活性层原料，溶解于溶剂中，采用旋涂法，提拉法或刮膜法方式，将两种材料相互叠加若干次成膜，得到钙钛矿/量子点多层叠加的具有不同吸光波段的吸光层；
步骤三，在钙钛矿/量子点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，得到太阳能电池器件。
2. 本发明所述的一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件的制备方法，其溶解活性层原料的溶剂包括正己烷，正辛烷，氯仿，甲苯，氯苯，对二甲苯；空穴传输层为有机或无机空穴传输层，所述的有机空穴传输层包括Spiro-OMeTAD, PEEDOT,PTAA,PTB7，PTB7-th或P3HT；阴极基底为氧化铟锡或掺氟氧化锡。
本发明技术方案还包括按上述制备方法得到的一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明在钙钛矿纳米晶太阳能电池的基础上，利用其多层叠加制备的特点，通过叠加不同光谱波段响应的薄膜太阳能电池，在不添加中间复合层的基础上，有效拓宽了钙钛矿太阳能电池的光吸收波长范围；同时，不同光谱波段响应的吸光活性层之间，无需电子空穴复合层，光生电子与空穴可直接经由活性层分别传输至电子传输层或空穴传输层，大大提高了钙钛矿纳米晶太阳能电池的光生电流从而提高了光电转化效率。
2.本发明提供的全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件不仅可以显著提高器件的光电转化效率，同时还可以通过选择不同吸光层的成分调控对于氧气和水的抵抗力，从而有效提高器件的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的在氧化铟锡或掺氟氧化锡阴极基底上低温制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图中：1.阴极；2.电子传输层；3.吸光层；4.空穴传输层；5.阳极。
图2是采用本发明实施例提供的方法，低温制备的全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件单组分标件(对照组)和不同吸光范围层叠加后器件(实施例1，实施例2)的效率比较曲线图；
图3是采用本发明实施例提供的方法，低温制备的全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件单组分标件(对照组)和不同吸光范围层叠加后器件(实施例1，实施例2)的稳定性效率比较曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
步骤一，对玻璃衬底及透明电极所组成的阴极基底1分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇和丙酮进行清洗。对基底紫外臭氧20分钟后，在阴极基底上，利用烘箱在70℃条件下通过TiCl4水热法制备TiO2薄膜并200℃退火30分钟制备电子传输层2。
步骤二，对基底紫外臭氧10分钟，在电子传输层2上利用旋涂法制备活性层，前驱体溶液为正辛烷溶解的带有油酸油胺配体的CsPbI3钙钛矿纳米晶，在旋涂停止后，将175微升乙酸甲酯铺展在干燥薄膜上，滴泡5 s后，再次旋涂使其干燥；重复多次旋涂--滴泡后，得到300～400纳米左右的钙钛矿活性层a；随后将70mg/mL的FAPbI3前驱体溶液使用与上述旋涂方法相同方式，形成100～200纳米左右钙钛矿活性层b，最终得到一个完整的钙钛矿吸光层3，其特点是两种材料相互叠加多次成膜，能级相互匹配，具有不同的吸光波段。
步骤三，钙钛矿层3制备完成后，在其上依次制备厚度为180纳米左右的空穴传输层4和厚度为100纳米的金作为电池的阳极5，从而得到太阳能电池。
本实施例提供的器件参数参见表1。
实施例2
步骤一，对玻璃衬底及透明电极所组成的阴极1分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇和丙酮进行清洗。对基底紫外臭氧20分钟后，在阴极基底上，利用烘箱在70℃条件下通过TiCl4水热法制备TiO2薄膜并200℃退火30分钟制备电子传输层2。
步骤二，对基底紫外臭氧10分钟，在电子传输层2上利用旋涂法制备活性层，前驱体溶液为正辛烷溶解的带有油酸油胺配体的CsPbI3钙钛矿纳米晶；在旋涂停止后，将175微升乙酸甲酯铺展在干燥薄膜上，滴泡5 s后，再次旋涂使其干燥；多次旋涂--滴泡后，得到300～400纳米左右的钙钛矿活性层a；随后将70mg/mL的FAPbI3前驱体溶液使用相同方法旋涂形成100～200纳米左右钙钛矿活性层b；接着再将40mg/mL的PbS硫化铅胶体量子点前驱体溶液使用相同旋涂方法形成50～100纳米左右活性层c，并最终得到一个完整的钙钛矿吸光层3。
步骤三，钙钛矿层3冷却至室温后，在其上依次制备厚度为180纳米左右的空穴传输层4和厚度为100纳米的金作为电池的阳极5，从而得到太阳能电池。
本实施例提供的器件参数参见表1。
表1
器件样品 <![CDATA[短路电流密度（mA/cm<sup>2</sup>）]]> 开路电压（V） 填充因子（%） 转换效率（%）
标样 14.03 1.25 75 13.15
实施例1 17.25 1.23 70 14.85
实施例2 20.21 1.20 70 16.97
参见附图2是采用本发明实施例提供的方法，低温制备的全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件单组分标件(对照组)和不同吸光范围层叠加后器件(实施例1，实施例2)的效率比较曲线图；
参见附图3是采用本发明实施例提供的方法，低温制备的全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件单组分标件(对照组)和不同吸光范围层叠加后器件(实施例1，实施例2)的稳定性效率比较曲线图。

Claims (5)

1.一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，在阴极基底上，采用水热法，旋涂法，热蒸发法或提拉法方式制备无机电子传输层或PCBM有机电子传输层；所述的无机电子传输层包括TiO2、ZnO或SnO2；
步骤二，在电子传输层上，以能级相互匹配的两种钙钛矿/量子点为活性层原料，溶解于溶剂中，采用旋涂法，提拉法或刮膜法方式，将两种材料相互叠加若干次成膜，得到钙钛矿/量子点多层叠加的具有不同吸光波段的吸光层；
具体的制备方法为，对基底紫外臭氧10分钟，在电子传输层上利用旋涂法制备活性层，前驱体溶液为正辛烷溶解的带有油酸油胺配体的CsPbI3钙钛矿纳米晶，在旋涂停止后，将175 微升乙酸甲酯铺展在干燥薄膜上，滴泡5 s后，再次旋涂使其干燥；重复多次旋涂--滴泡后，得到300～400纳米的钙钛矿活性层a；随后将70mg/mL的FAPbI3前驱体溶液使用与上述旋涂方法相同方式，形成100～200纳米钙钛矿活性层b，最终得到一个完整的钙钛矿吸光层；
步骤三，在钙钛矿/量子点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，得到太阳能电池器件。
2.根据权利要求1所述的一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：溶解活性层原料的溶剂选自正己烷、正辛烷、氯仿、甲苯、氯苯、对二甲苯。
3.根据权利要求1所述的一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：空穴传输层为有机或无机空穴传输层，所述的有机空穴传输层包括Spiro-OMeTAD、PEEDOT、PTAA、PTB7、PTB7-th或P3HT。
4.根据权利要求1所述的一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：所述的阴极基底为氧化铟锡或掺氟氧化锡。
5.按权利要求1制备方法得到的一种全光谱吸收的多层钙钛矿/量子点太阳能电池器件。
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