CN111261783A - 一种新型电子传输层钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体器件技术领域，具体地涉及一种新型电子传输层钙钛矿太阳能电池及其制备方法，包括：(1)将导电玻璃清洗后，用等离子清洗机处理，得到预处理后的导电玻璃基片；(2)采用高能球磨法制备GaN纳米材料，然后在导电玻璃基片上旋涂GaN分散液，转移至加热台制备出GaN电子传输层；(3)在GaN电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，旋涂结束后迅速转移至预热的加热台上制得钙钛矿层；(4)在钙钛矿光吸收层上旋涂空穴传输层；(5)将电极蒸镀到所述制备的空穴传输层上，完成钙钛矿太阳能电池制备。本发明使用GaN纳米材料作为电子传输层，能够改善太阳能电池电子传输效率，降低复合速率，从而显著提高器件的光电转换效率和稳定性。

Description

一种新型电子传输层钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体地涉及一种新型电子传输层钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能被认为是一种清洁安全、取之不尽的理想的可再生能源，正受到越来越多的关注。在此背景下开发新型高效率低成本太阳能电池引起了各国研究者的巨大兴趣。钙钛矿太阳能电池自2009年首次被提出以来迅速成为全球的研究热点，其兼具低成本、可溶液加工和优异的光电转换性能等优势在国际上倍受关注。
钙钛矿太阳能电池一般由导电玻璃基底、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层和金属电极组成。其中电子传输层对于加速电子从钙钛矿层到透明电极的提取、传输和收集以及抑制不利界面电荷复合至关重要，因此电子传输层是提高太阳能电池效率的关键因素之一。目前研究中应用最多的电子传输层材料是TiO2。TiO2与钙钛矿材料能带匹配且具有高的透过率，因此在高效钙钛矿太阳能电池里被广泛应用，但TiO2电子迁移率偏低，同时基于多孔TiO2的钙钛矿太阳能电池对紫外光比较敏感，从而导致电池不稳定，性能迅速衰减。因此为进一步优化电池结构，提高电池效率，开发和研究新的具有合适能级结构，电子迁移率高、稳定性好、缺陷密度低的电子传输层材料就成为了制备高效率钙钛矿太阳能电池的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型电子传输层钙钛矿太阳能电池及其制备方法，以解决现有钙钛矿太阳能电池电子传输层电子迁移率低、稳定性差、缺陷密度高等问题，能够获得高稳定性、高能量转化效率的钙钛矿太阳能电池。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种新型电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：
(1)将导电玻璃清洗后，用等离子清洗机处理，最后得到预处理后的导电玻璃基片；
(2)在导电玻璃基片上旋涂GaN分散液，然后转移至加热台上，制备出GaN电子传输层；
(3)在所述GaN电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，旋涂结束后迅速转移至预热的加热台上制得钙钛矿光吸收层；
(4)在所述钙钛矿光吸收层上旋涂空穴传输层；
(5)通过电极蒸镀仪将电极蒸镀到所述空穴传输层上，完成钙钛矿太阳能电池制备。
进一步的，所述步骤(1)中导电玻璃是氧化铟锡(ITO)或氟掺杂氧化锡(FTO)透明导电玻璃。
进一步的，所述步骤(2)中GaN分散液的制备包括以下步骤：将粒径为60-150μm的GaN粉料、去离子水及球磨介质按照10-30：1：1比例加入球磨罐中，使用高能球磨机在800-1100r/min超高转速下球磨20-30h，取出后放入80℃烘箱中烘干得到粒径为60-120nm的GaN纳米材料，将GaN材料按质量比为0.2-0.3分散于无水乙醇中，超声1-3h，得GaN分散液。
进一步的，所述步骤(2)中旋涂速度是3000-5000r/min。
进一步的，所述步骤(2)中加热台温度为150-250℃，保温时间20-40min。
进一步的，所述步骤(3)钙钛矿光吸收层为有机-无机钙钛矿材料，如:FA0.83MA0.17Pb(I0.83Br0.17)3或者纯无机钙钛矿材料中的任意一种。
进一步的，所述步骤(3)中旋涂速度是2000-5000r/min，旋涂时间是40-80s，在第30-50s时滴加反溶剂甲苯。
进一步的，所述步骤(3)中加热台温度为80-120℃，保温时间40-80min。
进一步的，所述步骤(4)中空穴传输层制备包括以下步骤：将60-100ml 2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)溶解于1mL氯苯中，搅拌5-10h均匀制得Spiro-OMeTAD空穴传输层溶液。
进一步的，所述步骤(4)中旋涂速度是3000-5000r/min，旋涂时间是30-50s。
进一步的，所述步骤(5)中电极是金或银，电极厚度为50-100nm。
本发明制备的钙钛矿太阳能电池的器件结构为：导电玻璃/GaN电子传输层/钙钛矿层/Spiro-OMeTAD/电极。
本发明的技术效果：
与现有技术相比，本发明的一种新型电子传输层钙钛矿太阳能电池及其制备方法，将高能球磨法制备的GaN纳米材料作为电子传输层，其宽的带隙(3.4eV)可以减小光电流损失；其较高的电子迁移率能够改善电子传输效率，降低复合速率，并且该材料具有与器件相匹配的能级，因此能够显著提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率；该材料具有耐高温、抗辐射、化学稳定性好等优点，从而能够提高器件的稳定性；高能球磨法制备GaN纳米材料，方法新颖，制作工艺简单，适合工业化制备。
附图说明
图1为本发明钙钛矿太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种新型GaN电子传输层钙钛矿太阳能电池及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃清洗后，用等离子清洗机处理，最后得到预处理后的导电玻璃基片；
(2)将粒径为100μm的GaN粉料、去离子水及球磨介质按照20：1：1比例加入球磨罐中，使用高能球磨机在800r/min超高转速下球磨25h，取出后放入80℃烘箱中烘干得到粒径为100nm的GaN纳米材料，将GaN材料按质量比为0.2分散于无水乙醇中，超声1h，得到GaN分散液；在FTO导电玻璃基片上旋涂GaN分散液，旋涂速度是4000r/min，然后转移至温度为150℃加热台上，保温30min，制备出GaN电子传输层；
(3)在所述制备的GaN电子传输层上旋涂组分为FA0.83MA0.17Pb(I0.83Br0.17)3的钙钛矿前驱体溶液，旋涂速度是3000r/min，旋涂时间是60s，在第40s时滴加反溶剂甲苯，旋涂结束后迅速转移至预热温度为100℃的加热台上，保温时间60min，制得钙钛矿层；
(4)将80ml 2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)溶解于1mL氯苯中，搅拌8h均匀制得Spiro-OMeTAD空穴传输层溶液，然后在制备的钙钛矿光吸收层上旋涂空穴传输层，旋涂速度是4000r/min，旋涂时间是40s；
(5)通过电极蒸镀仪将金电极蒸镀到所述制备的空穴传输层上，电极厚度为60nm完成钙钛矿太阳能电池制备。
实施例2：
(1)将氧化铟锡(ITO)导电玻璃清洗后，用等离子清洗机处理，最后得到预处理后的导电玻璃基片；
(2)将粒径为150μm的GaN粉料、去离子水及球磨介质按照30：1：1比例加入球磨罐中，使用高能球磨机在1100r/min超高转速下球磨30h，取出后放入80℃烘箱中烘干得到粒径为110nm的GaN纳米材料，将GaN材料按质量比为0.25分散于无水乙醇中，超声2h，得到GaN分散液。在ITO导电玻璃基片上旋涂GaN分散液，旋涂速度是5000r/min，然后转移至温度为200℃加热台上，保温40min，制备出GaN电子传输层；
(3)在所述制备的GaN电子传输层上旋涂组分为FA0.83MA0.17Pb(I0.83Br0.17)3的钙钛矿前驱体溶液，旋涂速度是5000r/min，旋涂时间是80s，在第50s时滴加反溶剂甲苯，旋涂结束后迅速转移至预热温度为120℃的加热台上，保温时间80min，制得钙钛矿层；
(4)将90ml 2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)溶解于1mL氯苯中，搅拌10h均匀制得Spiro-OMeTAD空穴传输层溶液，然后在制备的钙钛矿光吸收层上旋涂空穴传输层，旋涂速度是5000r/min，旋涂时间是50s；
(5)通过电极蒸镀仪将银电极蒸镀到所述制备的空穴传输层上，电极厚度为90nm完成钙钛矿太阳能电池制备。
如图1所示，本发明制备的钙钛矿太阳能电池的器件结构为：导电玻璃/GaN电子传输层/钙钛矿层/Spiro-OMeTAD/电极。
与目前最常用的TiO2电子传输材料相比，氮化镓(GaN)具有很多优点：1.GaN电子迁移率高达400cm2/V·s(300K)，具有显著改善电子传输效率和降低复合速率的潜力；2.带隙很宽为3.4eV，可以减小光电流损失。本发明将高能球磨法制备的GaN纳米材料作为电子传输层，其较高的电子迁移率能够改善电子传输效率，降低复合速率，并且该材料具有与器件相匹配的能级，因此能够显著提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率；该材料具有耐高温、抗辐射、化学稳定性好等优点，从而能够提高器件的稳定性；高能球磨法制备GaN纳米材料，方法新颖，制作工艺简单，适合工业化制备。
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种新型电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括：
(1)将导电玻璃清洗后，用等离子清洗机处理，最后得到预处理后的导电玻璃基片；
(2)在导电玻璃基片上旋涂GaN分散液，然后转移至加热台上，制备出GaN电子传输层；
(3)在所述GaN电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，旋涂结束后迅速转移至预热的加热台上制得钙钛矿光吸收层；
(4)在所述钙钛矿光吸收层上旋涂空穴传输层；
(5)通过电极蒸镀仪将电极蒸镀到所述空穴传输层上，完成钙钛矿太阳能电池制备。
2.根据权利要求1所述的新型电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中导电玻璃是氧化铟锡(ITO)或氟掺杂氧化锡(FTO)透明导电玻璃。
3.根据权利要求1所述的新型电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中GaN分散液的制备包括以下步骤：将粒径为60-150μm的GaN粉料、去离子水及球磨介质按照10-30：1：1比例加入球磨罐中，使用高能球磨机在800-1100r/min超高转速下球磨20-30h，取出后放入80℃烘箱中烘干得到粒径为60-120nm的GaN纳米材料，将GaN材料按质量比为0.2-0.3分散于无水乙醇中，超声1-3h，得GaN分散液。
4.根据权利要求1所述的新型电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中旋涂速度是3000-5000r/min；所述步骤(3)中旋涂速度是2000-5000r/min，旋涂时间是40-80s，在第30-50s时滴加反溶剂甲苯；所述步骤(4)中旋涂速度是3000-5000r/min，旋涂时间是30-50s。
5.根据权利要求1所述的新型电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中加热台温度为150-250℃，保温时间20-40min。
6.根据权利要求1所述的新型电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)钙钛矿光吸收层为有机-无机钙钛矿材料。
7.根据权利要求1所述的新型电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中加热台温度为80-120℃，保温时间40-80min。
8.根据权利要求1所述的新型电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中空穴传输层制备包括以下步骤：将60-100ml2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)溶解于1mL氯苯中，搅拌5-10h均匀制得Spiro-OMeTAD空穴传输层溶液。
9.根据权利要求1所述的新型电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中电极是金或银，电极厚度为50-100nm。
10.根据权利要求1所述的新型电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所制备的钙钛矿太阳能电池的器件结构为：导电玻璃/GaN电子传输层/钙钛矿层/Spiro-OMeTAD/电极。
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