CN111370583A - 聚乙烯吡咯烷酮掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用 - Google Patents

聚乙烯吡咯烷酮掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用，该钙钛矿太阳能电池包括衬底，起支撑作用；氧化锡电子传输层，其制作在衬底上，该氧化锡电子传输层掺杂有聚乙烯吡咯烷酮；钙钛矿吸收层，其制作在氧化锡电子传输层上；钝化层，其制作在钙钛矿吸收层上；空穴传输层，其制作在钝化层上；以及金属电极，其制作在空穴传输层上。本发明通过在电子传输层SnO2中添加有机聚合物聚乙烯吡咯烷酮，能够有效改善SnO2薄膜的成膜质量，扩展其工艺处理窗口；同时，在处理过后的电子传输层上生长钙钛矿层制备钙钛矿太阳电池，获得了重复性非常好的钙钛矿太阳电池。

Description

聚乙烯吡咯烷酮掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用。
背景技术
钙钛矿太阳能电池(PSC)是最近在光伏研究领域最热门的话题之一，其功率转换效率(PCE)从2009年至今已从3.9％上升到25.2％。超过20％PCE的PSC主要基于高温TiO2电子传输层(ETL)。但是基于高温TiO2的钙钛矿太阳电池制备成本较高，不利于商业化发展。凭借高效，低成本和简便的解决方案优势，具有平面结构的PSC已成为未来最具竞争力和最有前途的下一代光伏技术之一。对于平面结构，SnO2 ETL最近引起了极大的兴趣，由于其带隙为3.6eV，迁移率为240cm2V-1s-1，并且低温制备使其比其他ETL更具优越性。
通过旋涂技术来制备SnO2薄膜是具有挑战性的。使用SnO2纳米颗粒薄膜作为ETL的第一个主要挑战是制备高度可再现且致密的SnO2薄膜。第二个主要挑战是由于SnO2薄膜的较差的浸润性，需要对其进行紫外线臭氧(UV-ozone)处理。但是，SnO2对紫外线臭氧的处理很敏感。如果处理工艺不当，将会损坏SnO2薄膜。这些挑战将影响高性能和可重复生产的PSC的制备。因此，需要开发一种方法制备均匀且可再现的SnO2膜以实现具有高重复性的高效平面结构的PSC。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种基于在SnO2纳米颗粒中添加有机聚合物聚乙烯吡咯烷酮形成混合的水溶液制备致密SnO2电子传输层，解决在制备钙钛矿太阳电池过程中对SnO2进行工艺处理可能带来的破坏，进而影响器件性能的问题。优化SnO2制备工艺可以提升制备高效有钙钛矿太阳电池的重复性。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种钙钛矿太阳能电池，包括：
衬底，起支撑作用；
氧化锡电子传输层，其制作在衬底上，该氧化锡电子传输层掺杂有聚乙烯吡咯烷酮；
钙钛矿吸收层，其制作在氧化锡电子传输层上；
钝化层，其制作在钙钛矿吸收层上；
空穴传输层，其制作在钝化层上；以及
金属电极，其制作在空穴传输层上。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：
将聚乙烯吡咯烷酮和氧化锡混合溶液旋涂在衬底上，进行热退火处理、紫外线臭氧处理后形成氧化锡电子传输层；
在氧化锡电子传输层上制备钙钛矿吸收层；
在钙钛矿吸收层上制备钝化层；
在钝化层上制备空穴传输层；
在空穴传输层上制备金属电极，即得到所述钙钛矿太阳能电池。
作为本发明的又一个方面，还提供了如上所述的钙钛矿太阳能电池或如上所述制备方法获得的钙钛矿太阳能电池在太阳能电池领域的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的聚乙烯吡咯烷酮掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明提出的提高高效有机无机杂化钙钛矿太阳电池重复性的制备方法，通过在电子传输层SnO2中添加有机聚合物聚乙烯吡咯烷酮，能够有效改善SnO2薄膜的成膜质量，扩展其工艺处理窗口；
2、同时，在处理过后的电子传输层上生长钙钛矿层制备钙钛矿太阳电池，获得了重复性非常好的钙钛矿太阳电池。
附图说明
图1是本发明提出的基于聚乙烯吡咯烷酮处理过的SnO2电子传输层制备的钙钛矿太阳电池的结构示意图；
图2为本发明提供的制作基于聚乙烯吡咯烷酮处理过的SnO2电子传输层制备的钙钛矿太阳电池的流程示意图；
图3为本发明提供的基于有无聚乙烯吡咯烷酮的SnO2电子传输层制备的钙钛矿太阳电池的J-V(电流密度-电压)曲线图；
图4为本发明提供的基于有无聚乙烯吡咯烷酮的SnO2电子传输层UV-ozone处理不同时间条件下制备的钙钛矿太阳电池的J-V曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种制备高效且重复性好的有机无机杂化钙钛矿太阳电池的方法。该方法主要是在电子传输层(SnO2)中掺入绝缘聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP，polyvinylpyrrolidone)。一方面聚乙烯吡咯烷酮的引入不但改善了SnO2的成膜质量，另一方面在SnO2上利用溶液法制备钙钛矿层，由于SnO2表面的不亲水性，需要对SnO2进行紫外臭氧处理(UV-ozone)，如果工艺条件控制不好会对SnO2造成破坏，严重影响电池性能，聚乙烯吡咯烷酮的引入可以避免此问题的发生，使SnO2的工艺处理窗口得到扩展。利用处理后的SnO2电子传输层制备的钙钛矿太阳电池具有较好的重复性。
本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池，包括：
衬底，起支撑作用；
氧化锡电子传输层，其制作在衬底上，该氧化锡电子传输层掺杂有聚乙烯吡咯烷酮；
钙钛矿吸收层，其制作在氧化锡电子传输层上；
钝化层，其制作在钙钛矿吸收层上；
空穴传输层，其制作在钝化层上；以及
金属电极，其制作在空穴传输层上。
在本发明的一些实施例中，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为6000至55000g/mol。
在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括透明导电玻璃。
在本发明的一些实施例中，所述氧化锡电子传输层的厚度为20nm至100nm；
在本发明的一些实施例中，所述钙钛矿吸收层的厚度为300nm至900nm；
在本发明的一些实施例中，所述钝化层的厚度为10nm至30nm；
在本发明的一些实施例中，所述空穴传输层的厚度为150nm至250nm；
在本发明的一些实施例中，所述金属电极的厚度60nm至120nm。
本发明还公开了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：
将聚乙烯吡咯烷酮和氧化锡混合溶液旋涂在衬底上，进行热退火处理、紫外线臭氧处理后形成氧化锡电子传输层；
在氧化锡电子传输层上制备钙钛矿吸收层；
在钙钛矿吸收层上制备钝化层；
在钝化层上制备空穴传输层；
在空穴传输层上制备金属电极，即得到所述钙钛矿太阳能电池。
在本发明的一些实施例中，所述退火温度为140至160℃，退火时间为15至30min。
在本发明的一些实施例中，所述紫外线臭氧处理时间为10至30min。
在本发明的一些实施例中，所述钙钛矿吸收层是采用两步旋涂法制备得到的。
在本发明的一些实施例中，所述钝化层是采用溶液旋涂制备得到的；
在本发明的一些实施例中，所述空穴传输层是采用溶液旋涂制备得到的；
在本发明的一些实施例中，所述金属电极是采用真空蒸镀法制备得到的。
本发明还公开了如上所述的钙钛矿太阳能电池或如上所述制备方法获得的钙钛矿太阳能电池在太阳电池领域的应用。
在一个示例性实施例中，本发明的一种基于氧化锡电子传输层的高效且重复性高的钙钛矿太阳能电池，该结构由下至上依次包括：
一、透明导电玻璃衬底(ITO)10；
二、氧化锡电子传输层(SnO2)20，其制作在ITO 10上；
三、钙钛矿吸收层30，其制作在SnO2电子传输层20上；
四、钝化层40，其制作在钙钛矿吸收层30上；
五、空穴传输层50，其制作在钝化层40上；
六、金属电极60，其制作在空穴传输层50上。
本发明主要是在电子传输层SnO2里掺杂有机聚合物为聚乙烯吡咯烷酮，且聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为6000-55000g/mol。
制备上述高效且重复性好的钙钛矿太阳电池该方法包括：
步骤一：将有机聚合物聚乙烯吡咯烷酮溶解在SnO2的水溶液中，然后将其混合溶液利用旋涂法旋涂在导电衬底玻璃10上(商业购买ITO或者FTO 10，采用常规清洗ITO或者FTO的方法进行清洗：依次用洗涤剂，去离子水，丙酮，异丙醇(IPA)进行清洗)。
将旋涂好的SnO2薄膜放在热板上进行热退火处理，退火过程在空气中进行即可。退火温度为150℃，时间为20min。
由于电子传输层SnO2薄膜的浸润性较差，为在SnO2上沉积质量较好的钙钛矿吸光层，需要将退火好的SnO2薄膜放到紫外臭氧机里对其进行紫外臭氧处理(UV)10-30min。
步骤二：采用旋涂溶液的方法，在UV处理好的SnO2电子传输层20上面制作钙钛矿吸收层30；
步骤三：采用旋涂溶液的方法，在钙钛矿吸收层30上面制作钝化层40；
步骤四：采用旋涂溶液的方法，在钝化层40上面制作空穴传输层50；
步骤五：采用蒸发沉积的方法，在空穴传输层50上面制作金属电极60。
其中，所述SnO2电子传输层20采用旋涂的工艺，低温制备(100-180℃)，SnO2原溶液为商用购买直接使用，其厚度为20nm至100nm；
其中，所述的钙钛矿光吸收层30的材料为FA1-xMAxPbI3(甲脒甲胺铅碘混合钙钛矿)，采用旋涂工艺，低温制作(100-170℃)，其厚度为300nm至900nm；
其中，所述的钝化层40的材料为苯乙胺碘盐(PEAI，Phenethylammonium iodide)，采用旋涂工艺，室温条件下制备，其厚度为10nm至30nm；
其中，所述空穴传输层50的材料为2，2′，7，7′-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴(Spiro-OMeTAD)厚度为150nm至250nm。
其中，所述金属电极60的材料为Au(金)，厚度为60nm至120nm。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
下述实施例中使用的化学药品和原料均为市售所得或通过公知的制备方法自制得到。
如图1所示，本实施例提供的基于聚乙烯吡咯烷酮处理过得SnO2制备的钙钛矿太阳电池，该结构由下至上依次包括：
一、透明导电玻璃衬底10；
二、氧化锡电子传输层20，其制作在导电玻璃衬底10上；
三、钙钛矿吸收层30，其制作在氧化锡电子传输层20上；
四、钝化层40，其制作在钙钛矿吸收层30上；
五、空穴传输层50，其制作在钝化层40上；
六、金属电极60，其制作在空穴传输层50上。
制备上述钙钛矿太阳电池的方法如图2所示，具体步骤如下：
步骤一：用洗涤剂、去离子水、丙酮和IPA依次清洗ITO/玻璃衬底10各30分钟备用，其中ITO层的方块电阻为15欧姆左右。
步骤二：将清洗好的ITO玻璃用N2枪吹干之后对其表面进行UV-ozone处理；然后在处理好的ITO玻璃上旋涂处理过的SnO2纳米颗粒-聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，形成薄膜，之后对其进行退火处理。形成SnO2电子传输层20。
步骤三：采用两步旋涂法，在SnO2电子传输层20制备钙钛矿吸收层30。
步骤四：采用溶液旋涂法，在钙钛矿层30上旋涂钝化层PEAI 40。
步骤五：采用溶液旋涂法，在钝化层40上旋涂空穴传输层Spiro-OMeTAD 50。
步骤六：采用真空蒸镀法，在空穴传输层50上蒸发金属电极Au 60。
图3为本发明提供的基于有无聚乙烯吡咯烷酮的SnO2电子传输层制备的钙钛矿太阳电池的J-V曲线图。表1为在图3中提取的性能参数表。从图3和表1可以知道聚乙烯吡咯烷酮的掺入使器件的性能得到明显的提升，尤其在体现在填充因子上。
表1有无聚乙烯吡咯烷酮掺杂的器件性能表
Figure BDA0002425087420000071
图4为本发明提供的基于有无聚乙烯吡咯烷酮的SnO2电子传输层在UV处理不同时间条件下制备的钙钛矿太阳电池的J-V曲线图。表2为在图4中提取的性能参数表。从图4和表2可以看到没有聚乙烯吡咯烷酮处理的器件电子传输层SnO2经过30min的UV处理后器件的性能明显下降，而有聚乙烯吡咯烷酮掺杂的电子传输层SnO2经过30min的UV处理后器件的性能和处理10min器件的性能没有太大的区别，说明聚乙烯吡咯烷酮的引入扩展了电子传输层SnO2的处理窗口，降低了紫外臭氧处理对SnO2造成的损害。
表2有无聚乙烯吡咯烷酮掺杂的SnO2紫外臭氧处理不同时间的器件的性能表
Figure BDA0002425087420000072
Figure BDA0002425087420000081
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳能电池，包括：
衬底，起支撑作用；
氧化锡电子传输层，其制作在衬底上，该氧化锡电子传输层掺杂有聚乙烯吡咯烷酮；
钙钛矿吸收层，其制作在氧化锡电子传输层上；
钝化层，其制作在钙钛矿吸收层上；
空穴传输层，其制作在钝化层上；以及
金属电极，其制作在空穴传输层上。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为6000至55000g/mol。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
所述衬底采用的材料包括透明导电玻璃。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
所述氧化锡电子传输层的厚度为20nm至100nm；
所述钙钛矿吸收层的厚度为300nm至900nm；
所述钝化层的厚度为10nm至30nm；
所述空穴传输层的厚度为150nm至250nm；
所述金属电极的厚度60nm至120nm。
5.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：
将聚乙烯吡咯烷酮和氧化锡混合溶液旋涂在衬底上，进行热退火处理、紫外线臭氧处理后形成氧化锡电子传输层；
在氧化锡电子传输层上制备钙钛矿吸收层；
在钙钛矿吸收层上制备钝化层；
在钝化层上制备空穴传输层；
在空穴传输层上制备金属电极，即得到所述钙钛矿太阳能电池。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，
所述退火温度为140至160℃，退火时间为15至30min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，
所述紫外线臭氧处理时间为10至30min。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，
所述钙钛矿吸收层是采用两步旋涂法制备得到的。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，
所述钝化层是采用溶液旋涂制备得到的；
所述空穴传输层是采用溶液旋涂制备得到的；
所述金属电极是采用真空蒸镀法制备得到的。
10.如权利要求1至4任一项所述的钙钛矿太阳能电池或如权利要求5至9任一项所述制备方法获得的钙钛矿太阳能电池在太阳电池领域的应用。
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