CN111710786A - 一种柔性电子传输层成膜工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性电子传输层成膜工艺,包括:步骤1、制备聚乙烯亚胺前驱液:将一定量的聚乙烯亚胺溶于溶剂中,令聚乙烯亚胺前驱液中聚乙烯亚胺的含量在0.1~3wt%之间;步骤2、使用溶液法在透明电极表面采用旋涂、浸涂或喷涂工艺制备超薄聚乙烯亚胺薄膜(ut‑PEI薄膜)。本发明的有益效果是:本发明结构设计合理,制备步骤简单,降低了加工温度,提高了工艺兼容性;通过使用超薄聚乙烯亚胺对电子传输层进行修饰,降低了透明电极和电子传输层的接触电阻;降低了透明电极的功函数,使透明电极与电子传输层更匹配;提高了电荷的提取效率,最终使钙钛矿电池器件获得较高的光电转换效率;有助于钙钛矿的低成本产业化推进。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件领域,尤其包括一种柔性电子传输层成膜工艺。
背景技术
柔性钙钛矿太阳能电池,是在硬质钙钛矿太阳能电池的基础上发展起来的一种新型柔性薄膜电池,通过使用多种柔性衬底,可以达到可弯曲、可折叠的目的,大大拓宽了钙钛矿太阳能电池的应用场景。n-i-p型钙钛矿太阳能电池中常用的电子传输层包括二氧化钛、二氧化锡和氧化锌三种,但是在目前的研究中,这三种电子传输层都需要进行高温处理才能达到比较好的效果,而高温处理过程与柔性钙钛矿太阳能电池制备工艺不兼容,同时也会造成能源的大量浪费、增加制造成本。因此,寻找一种简单易操作可低温(<100℃)制备高效电子传输层的方法就具有十分重要的现实意义。低温方法制备的电子传输层薄膜是否无孔洞裂纹、能否降低表面粗糙度以及能否提高原材料的利用率等技术问题也一直是各方关注的重点。
在柔性钙钛矿太阳能电池中使用最多和效果最好的电子传输层材料为二氧化锡,目前常用的方法主要有PEALD生长法和超薄界面层钝化法两种。PEALD生长法需要加装了等离子体增强的ALD设备,难以大规模推广,且后续须用水蒸气处理二氧化锡薄膜去除有机物才能得到纯净的二氧化锡薄膜。常规旋涂法制备的二氧化锡薄膜在低温退火时会产生较多的孔洞裂纹,在透明电极和电子传输层之间插入超薄界面钝化层虽然解决了钙钛矿层与透明电极直接接触导致的界面复合问题,但电子传输层薄膜的孔洞裂纹依旧存在,影响钙钛矿前驱液结晶,进而影响电池整体性能。
超薄聚乙烯亚胺(ut-PEI)修饰电子传输层的方法是在常规旋涂法的基础上进行改进的,通过在透明电极和电子传输层中间插入一层超薄的聚乙烯亚胺,利用超薄聚乙烯亚胺层中长链高分子上的高密度胺基,吸附到透明电极表面,并可以通过水洗的方式降低厚度,后续的电子传输层可以通过与超薄聚乙烯亚胺层表面的胺基形成共价键,在低温退火(100℃,30min)条件下就可以得到均匀致密的电子传输层薄膜,从而实现高效电子传输层的低温制备,进而制备高效的柔性钙钛矿太阳能电池。
对于目前二氧化锡电子传输层的低温成膜方法,PEALD生长法和超薄界面层钝化法已经取得了较好的效果,但是依然存在一些技术问题,主要表现为
1)PEALD生长需要加装等离子体增强的ALD设备,难以大规模推广,也难以大面积制备,且后续须水蒸气处理去除有机物才能得到纯净的二氧化锡薄膜,工艺复杂。
2)常规旋涂法制备的二氧化锡薄膜在低温退火时会产生较多的孔洞裂纹,在透明电极和电子传输层之间插入超薄界面钝化层虽然解决了钙钛矿层与透明电极直接接触导致的界面复合问题,但电子传输层薄膜的孔洞裂纹依旧存在,影响钙钛矿前驱液结晶,进而影响电池整体性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足,提供一种柔性电子传输层成膜工艺。
这种基于柔性电子传输层构建的钙钛矿太阳能电池,内部结构从下到上依次为:带有透明电极的柔性高分子衬底、柔性电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和顶部金属电极;所述带有透明电极的柔性高分子衬底中柔性高分子衬底在下,透明电极在上;所述柔性电子传输层为聚乙烯亚胺层修饰的二氧化锡电子传输层,所述聚乙烯亚胺层为超薄聚乙烯亚胺薄膜(ut-PEI薄膜);所述柔性电子传输层中超薄聚乙烯亚胺薄膜在下,二氧化锡电子传输层在上;超薄聚乙烯亚胺薄膜位于透明电极和二氧化锡电子传输层之间。
作为优选,所述二氧化锡电子传输层的厚度约为20~30nm,二氧化锡电子传输层中采用的二氧化锡为颗粒状纳米粒子,粒径约为4nm;超薄聚乙烯亚胺薄膜的厚度为1~3nm。
作为优选,所述柔性高分子衬底为柔性的PET高分子基底或PEN高分子基底;柔性高分子衬底在近紫外、可见光和近红外区范围内均有较高的透过率,可以阻隔氧气和水,而且平整度高,对高温(100℃)的长期耐受性高;所述透明电极为ITO结构或OMO结构的透明导电电极,在近紫外、可见光和近红外区范围内均有较高的透过率;透明导电电极具有高导电性、低粗糙度和高稳定性;所述带有透明电极的柔性高分子衬底为ITO-PEN、ITO-PET、OMO-PEN、OMO-PET或OMO-Paper;所述顶部金属电极选用Au或Ag。
这种柔性电子传输层成膜工艺,具体包括如下步骤:
步骤1、制备聚乙烯亚胺前驱液:将一定量的聚乙烯亚胺溶于溶剂中,令聚乙烯亚胺前驱液中聚乙烯亚胺的含量在0.1~3wt%之间;
步骤2、使用溶液法在透明电极表面采用旋涂、浸涂或喷涂工艺制备超薄聚乙烯亚胺薄膜(ut-PEI薄膜);执行步骤2.1、步骤2.2或步骤2.3;
步骤2.1、在透明电极表面采用旋涂工艺制备超薄聚乙烯亚胺薄膜(ut-PEI薄膜):
步骤2.1.1、将表面经过紫外线和臭氧处理的带有透明电极的柔性高分子衬底置于匀胶机的蜂窝状吸盘上,用移液枪将聚乙烯亚胺前驱液均匀涂在带有透明电极的柔性高分子衬底上,静置2~5min后开始进行步骤2.1.2中的旋涂操作;
步骤2.1.2、调节匀胶机的转速在1000rpm~6000rpm内,设定旋转时间为10s~60s,在表面滴加50~200μl聚乙烯亚胺前驱液的溶剂;调节匀胶机转速在1000rpm~6000rpm内,设定旋转时间为10s~60s,将带有透明电极的柔性高分子衬底转移到加热台上,在80~120℃下退火10min;待带有透明电极的柔性高分子衬底冷却后,用移液枪将20~50μl的SnO2溶液均匀涂在带有透明电极的柔性高分子衬底上,静置2~5min后开始旋涂;调节转速在3000rpm~5000rpm内,设定旋转时间为20~40s,再转移到加热台上在80~120℃下退火20~40min;
步骤2.2、在透明电极表面采用浸涂工艺制备超薄聚乙烯亚胺薄膜(ut-PEI薄膜):
将表面经过紫外线和臭氧处理的带有透明电极的柔性高分子衬底放置于镂空的清洗花篮中,在溶液浓度为0.1~3wt%的聚乙烯亚胺前驱液中浸泡10min以上,取出后用聚乙烯亚胺前驱液的溶剂反复冲洗三次以上,用氮气枪吹干表面;将带有透明电极的柔性高分子衬底转移到加热台上,在80~120℃下退火10min;待带有透明电极的柔性高分子衬底冷却后,用移液枪将20~50μl的SnO2溶液均匀涂在带有透明电极的柔性高分子衬底上,静置2~5min后开始旋涂;调节转速在3000rpm~5000rpm内,设定旋转时间为20~40s,再转移到加热台上在80~120℃下退火20~40min;
步骤2.3、在透明电极表面采用喷涂工艺制备超薄聚乙烯亚胺薄膜(ut-PEI薄膜):
在清洗完毕且表面经过紫外线和臭氧处理的带有透明电极的柔性高分子衬底上,用溶液浓度为0.1-3wt%的聚乙烯亚胺前驱液使用喷涂法制备超薄聚乙烯亚胺钝化层;然后用聚乙烯亚胺前驱液的溶剂反复冲洗三次,用氮气枪吹干表面;将带有透明电极的柔性高分子衬底转移到加热台上,在80~120℃下退火10min;待带有透明电极的柔性高分子衬底冷却后,用移液枪将20~50μl的SnO2溶液均匀涂在带有透明电极的柔性高分子衬底上,静置2~5min后开始旋涂,调节转速在3000rpm~5000rpm内,设定旋转时间为20~40s,再转移到加热台上在80~120℃下退火20~40min。
作为优选,所述步骤1中所述溶剂为去离子水、无水乙醇或丙酮。
本发明的有益效果是:本发明结构设计合理,制备步骤简单,降低了加工温度,提高了工艺兼容性;通过使用超薄聚乙烯亚胺对电子传输层进行修饰,降低了透明电极和电子传输层的接触电阻;降低了透明电极的功函数,使透明电极与电子传输层更匹配;提高了电荷的提取效率,最终使钙钛矿电池器件获得较高的光电转换效率;有助于钙钛矿的低成本产业化推进。
附图说明
图1为基于聚乙烯亚胺修饰的二氧化锡电子传输层构建柔性结构的钙钛矿太阳能电池结构图;
图2为二氧化锡电子传输层进行粗糙度测试结果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出,对于本技术领域的普通人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本工艺从钝化层材料、厚度、加工工艺等方面入手,主要降低电子传输层的退火温度和提高电子传输层的成膜质量,其他的柔性钙钛矿电池的制备工艺按照基本的制备流程如下:导电玻璃清洗-紫外臭氧处理-制备超薄聚乙烯亚胺钝化层-旋涂电子传输层-低温退火处理-紫外臭氧处理-钙钛矿活性层成膜-退火处理-旋涂空穴传输层-蒸镀银电极或金电极-效率测试。
本发明提供了一种结构合理、制备简单、光电转换效率高的基于聚乙烯亚胺修饰的二氧化锡电子传输层构建柔性结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
如图1所示,这种基于柔性电子传输层构建的钙钛矿太阳能电池,内部结构从下到上依次为:带有透明电极的柔性高分子衬底、柔性电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和顶部金属电极;所述带有透明电极的柔性高分子衬底中柔性高分子衬底在下,透明电极在上;所述柔性电子传输层为聚乙烯亚胺层修饰的二氧化锡电子传输层,所述聚乙烯亚胺层为超薄聚乙烯亚胺薄膜(ut-PEI薄膜);所述柔性电子传输层中超薄聚乙烯亚胺薄膜在下,二氧化锡电子传输层在上;超薄聚乙烯亚胺薄膜位于透明电极和二氧化锡电子传输层之间。
所述二氧化锡电子传输层的厚度约为20~30nm,二氧化锡电子传输层中采用的二氧化锡为颗粒状纳米粒子,粒径约为4nm;超薄聚乙烯亚胺薄膜的厚度为1~3nm。
所述柔性高分子衬底为柔性的PET高分子基底或PEN高分子基底;柔性高分子衬底在近紫外、可见光和近红外区范围内均有较高的透过率,可以阻隔氧气和水,而且平整度高,对高温(100℃)的长期耐受性高;所述透明电极为ITO结构或OMO结构的透明导电电极,在近紫外、可见光和近红外区范围内均有较高的透过率;透明导电电极具有高导电性、低粗糙度和高稳定性;所述带有透明电极的柔性高分子衬底为ITO-PEN、ITO-PET、OMO-PEN、OMO-PET或OMO-Paper;所述顶部金属电极选用Au或Ag。
实施例1将清洗完毕、表面紫外臭氧处理过的导电衬底放置于匀胶机的15.8×15.8mm2蜂窝状吸盘上,用移液枪将50μl浓度为0.3wt%的聚乙烯亚胺水溶液均匀的涂在导电衬底上,静置2min后开始旋涂,调节匀胶机转速为5000rpm,旋转时间为30s,再在表面滴加100μl去离子水,调节匀胶机转速为5000rpm,旋转时间为30s,将导电衬底转移到加热台上100℃退火10min。待导电衬底冷却后,用移液枪将30μl SnO2溶液均匀的涂在导电衬底上,静置2min后开始旋涂,3000rpm、30s,再转移到加热台上100℃退火30min,得到均匀致密的高质量二氧化锡电子传输层。
实施例2将清洗完毕、表面紫外臭氧处理过的导电衬底放置于镂空的清洗花篮中,在浓度为0.3wt%聚乙烯亚胺水溶液中浸泡10min,取出后用去离子水反复冲洗三次,用氮气枪吹干表面,将导电衬底转移到加热台上100℃退火10min。待导电衬底冷却后,用移液枪将30μl SnO2溶液均匀的涂在导电衬底上,静置2min后开始旋涂,3000rpm、30s,再转移到加热台上100℃退火30min,得到均匀致密的高质量二氧化锡电子传输层。
实施例3将清洗完毕、表面紫外臭氧处理过的导电衬底放置于匀胶机的15.8×15.8mm2蜂窝状吸盘上,用移液枪将50μl浓度为0.3wt%的聚乙烯亚胺无水乙醇溶液均匀的涂在导电衬底上,静置2min后开始旋涂,调节匀胶机转速为5000rpm,旋转时间为10s~60s,再在表面滴加100μl无水乙醇,调节匀胶机转速为5000rpm,旋转时间为30s,将导电衬底转移到加热台上100℃退火10min。待导电衬底冷却后,用移液枪将30μl SnO2溶液均匀的涂在导电衬底上,静置2min后开始旋涂,3000rpm、30s,再转移到加热台上100℃退火30min,得到均匀致密的高质量二氧化锡电子传输层。
实施例4将清洗完毕、表面紫外臭氧处理过的导电衬底放置于镂空的清洗花篮中,在浓度为0.3wt%聚乙烯亚胺无水乙醇溶液中浸泡10min,取出后用无水乙醇反复冲洗三次,用氮气枪吹干表面,将导电衬底转移到加热台上100℃退火10min。待导电衬底冷却后,用移液枪将30μl SnO2溶液均匀的涂在导电衬底上,静置2min后开始旋涂,3000rpm、30s,再转移到加热台上100℃退火30min,得到均匀致密的高质量二氧化锡电子传输层。
实施例5在清洗完毕、表面紫外臭氧处理过的导电衬底上使用溶液喷涂法制备超薄聚乙烯亚胺钝化层,溶液浓度为0.3wt%,然后用对应溶剂反复冲洗三次,用氮气枪吹干表面,将导电衬底转移到加热台上100℃退火10min。待导电衬底冷却后,用移液枪将30μlSnO2溶液均匀的涂在导电衬底上,静置2min后开始旋涂,3000rpm、30s,再转移到加热台上100℃退火30min,得到均匀致密的高质量二氧化锡电子传输层。
对实施例1至实施例5制备的二氧化锡电子传输层进行粗糙度测试,所得到的表面粗糙度为1.25nm,低于常规高温工艺的1.56nm。对比图如图2所示。
实施例6待样品冷却后,将SnO2/ITO放入紫外臭氧机中处理15min后转移到氮气手套箱中,放置于匀胶机的15.8×15.8mm2蜂窝状吸盘上,用移液枪将25μl钙钛矿前驱液均匀的涂布在电极上,5000rpm、32s,在第20s左右,在其表面匀速滴加220μl氯苯,再将其转移到加热台上100℃退火30min。待样品冷却后,放置于匀胶机的15.8×15.8mm2蜂窝状吸盘上,用移液枪将25μl Spiro-OMeTAD动态滴加到样品表面,5000rpm、30s。待样品自然干燥后,用DMF:乙腈=1:4混合溶液擦出倒L型,用乙腈擦去残余的黄色物质,完全漏出倒L型底电极。热蒸镀生长80nm Ag,生长至5nm,生长至80nm。低温工艺制备的ITO结构的柔性钙钛矿太阳能电池效率为16.3%。
实施例7将清洗完毕的PEN基底放入60℃烘箱内烘烤一夜。将样品放入掩膜版内置于电子束腔体中,等内部压力下降到6×10-4Pa时,以和的速率分别蒸镀厚度为10nm的SnO2和的Au。将样品从腔体内取出后放入PEI水溶液内浸泡10分钟,用去离子水反复冲洗三次,用氮气枪吹干表面,在100℃的加热台上加热十分钟,确保去除样品表面的水分。将样品转移到电子束腔体内,等内部压力下降到6×10-4Pa时,以和的速率分别蒸镀8nm Au和2nm SnO2。蒸镀完成,取出样品,在其表面制备超薄聚乙烯亚胺薄膜和二氧化锡电子传输层。待样品冷却后,将SnO2/OMO放入紫外臭氧机中处理15min后转移到氮气手套箱中,放置于匀胶机的15.8×15.8mm2蜂窝状吸盘上,用移液枪将25μl钙钛矿前驱液均匀的涂布在电极上,5000rpm、32s,在第20s左右,在其表面匀速滴加220μl氯苯,再将其转移到加热台上100℃退火30min。待样品冷却后,放置于匀胶机的15.8×15.8mm2蜂窝状吸盘上,用移液枪将25μl Spiro-OMeTAD动态滴加到样品表面,5000rpm、30s。待样品自然干燥后,用DMF:乙腈=1:4混合溶液擦出倒L型,用乙腈擦去残余的黄色物质,完全漏出倒L型底电极。热蒸镀生长80nm Ag,生长至5nm,生长至80nm。低温工艺制备的OMO结构的柔性钙钛矿太阳能电池效率为10.9%。
采用柔性电子传输层成膜工艺制备的PEN-ITO基柔性钙钛矿太阳能电池表现出了优异的光电性能和机械柔韧性,与高温工艺制备的硬质钙钛矿太阳能电池相比,仅在光电流密度方面稍差,这主要是因为PEN基底较低的透过率制约了钙钛矿活性层对太阳光的吸收,在电池性能方面不亚于高温工艺制备的硬质钙钛矿太阳能电池,并具有高度的柔性。采用PEN-OMO基底制备的柔性钙钛矿太阳能电池表现出了极佳的机械稳定性。
Claims (5)
1.一种基于柔性电子传输层构建的钙钛矿太阳能电池,其特征在于,钙钛矿太阳能电池的内部结构从下到上依次为:带有透明电极的柔性高分子衬底、柔性电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和顶部金属电极;所述带有透明电极的柔性高分子衬底中柔性高分子衬底在下,透明电极在上;所述柔性电子传输层为聚乙烯亚胺层修饰的二氧化锡电子传输层,所述聚乙烯亚胺层为超薄聚乙烯亚胺薄膜;所述柔性电子传输层中超薄聚乙烯亚胺薄膜在下,二氧化锡电子传输层在上;超薄聚乙烯亚胺薄膜位于透明电极和二氧化锡电子传输层之间。
2.根据权利要求1所述基于柔性电子传输层构建的钙钛矿太阳能电池,其特征在于:所述二氧化锡电子传输层的厚度约为20~30nm,二氧化锡电子传输层中采用的二氧化锡为颗粒状纳米粒子,粒径约为4nm;超薄聚乙烯亚胺薄膜的厚度为1~3nm。
3.根据权利要求1所述基于柔性电子传输层构建的钙钛矿太阳能电池,其特征在于:
所述柔性高分子衬底为柔性的PET高分子基底或PEN高分子基底;柔性高分子衬底在近紫外、可见光和近红外区范围内均有较高的透过率,平整度高,对高温的长期耐受性高;
所述透明电极为ITO结构或OMO结构的透明导电电极,在近紫外、可见光和近红外区范围内均有较高的透过率;透明导电电极具有高导电性、低粗糙度和高稳定性;
所述带有透明电极的柔性高分子衬底为ITO-PEN、ITO-PET、OMO-PEN、OMO-PET或OMO-Paper;
所述顶部金属电极选用Au或Ag。
4.一种如权利要求1所述柔性电子传输层的成膜工艺,其特征在于,具体包括如下步骤:
步骤1、制备聚乙烯亚胺前驱液:将一定量的聚乙烯亚胺溶于溶剂中,令聚乙烯亚胺前驱液中聚乙烯亚胺的含量在0.1~3wt%之间;
步骤2、使用溶液法在透明电极表面采用旋涂、浸涂或喷涂工艺制备超薄聚乙烯亚胺薄膜;执行步骤2.1、步骤2.2或步骤2.3;
步骤2.1、在透明电极表面采用旋涂工艺制备超薄聚乙烯亚胺薄膜:
步骤2.1.1、将表面经过紫外线和臭氧处理的带有透明电极的柔性高分子衬底置于匀胶机的蜂窝状吸盘上,用移液枪将聚乙烯亚胺前驱液均匀涂在带有透明电极的柔性高分子衬底上,静置2~5min后开始进行步骤2.1.2中的旋涂操作;
步骤2.1.2、调节匀胶机的转速在1000rpm~6000rpm内,设定旋转时间为10s~60s,在表面滴加50~200μl聚乙烯亚胺前驱液的溶剂;调节匀胶机转速在1000rpm~6000rpm内,设定旋转时间为10s~60s,将带有透明电极的柔性高分子衬底转移到加热台上,在80~120℃下退火10min;待带有透明电极的柔性高分子衬底冷却后,用移液枪将20~50μl的SnO2溶液均匀涂在带有透明电极的柔性高分子衬底上,静置2~5min后开始旋涂;调节转速在3000rpm~5000rpm内,设定旋转时间为20~40s,再转移到加热台上在80~120℃下退火20~40min;
步骤2.2、在透明电极表面采用浸涂工艺制备超薄聚乙烯亚胺薄膜:
将表面经过紫外线和臭氧处理的带有透明电极的柔性高分子衬底放置于镂空的清洗花篮中,在溶液浓度为0.1~3wt%的聚乙烯亚胺前驱液中浸泡10min以上,取出后用聚乙烯亚胺前驱液的溶剂反复冲洗三次以上,用氮气枪吹干表面;将带有透明电极的柔性高分子衬底转移到加热台上,在80~120℃下退火10min;待带有透明电极的柔性高分子衬底冷却后,用移液枪将20~50μl的SnO2溶液均匀涂在带有透明电极的柔性高分子衬底上,静置2~5min后开始旋涂;调节转速在3000rpm~5000rpm内,设定旋转时间为20~40s,再转移到加热台上在80~120℃下退火20~40min;
步骤2.3、在透明电极表面采用喷涂工艺制备超薄聚乙烯亚胺薄膜:
在清洗完毕且表面经过紫外线和臭氧处理的带有透明电极的柔性高分子衬底上,用溶液浓度为0.1-3wt%的聚乙烯亚胺前驱液使用喷涂法制备超薄聚乙烯亚胺钝化层;然后用聚乙烯亚胺前驱液的溶剂反复冲洗三次,用氮气枪吹干表面;将带有透明电极的柔性高分子衬底转移到加热台上,在80~120℃下退火10min;待带有透明电极的柔性高分子衬底冷却后,用移液枪将20~50μl的SnO2溶液均匀涂在带有透明电极的柔性高分子衬底上,静置2~5min后开始旋涂,调节转速在3000rpm~5000rpm内,设定旋转时间为20~40s,再转移到加热台上在80~120℃下退火20~40min。
5.根据权利要求4所述柔性电子传输层的成膜工艺,其特征在于:所述步骤1中所述溶剂为去离子水、无水乙醇或丙酮。
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