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Abstract

本说明书一个或多个实施例提供一种钙钛矿太阳能电池，自下而上依次包括沉积了透明导电玻璃的基底，镁掺杂的二氧化钛电子传输层，钙钛矿吸收层，空穴传输层和电极，通过将Mg元素作为有效的掺杂剂通过简单的方式引入到致密的TiO2电子传输层中，并构建平面型钙钛矿太阳能电池。Mg掺杂能够使TiO2的费米能级上移，增加薄膜的自由载流子浓度，降低深能级缺陷态浓度。因此TiO2的电阻减小，从而提高整个电池器件的填充因子和光电转换效率。

Description

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本说明书一个或多个实施例涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
最近几年，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率快速提升，已被视为最具潜力的光伏技术。在钙钛矿太阳能电池中，二氧化钛(TiO2)是应用最广泛的电子传输材料，根据制备方法和结构的不同，TiO2电子传输层分为介孔结构和平面结构，平面结构能够进一步简化制备工艺和降低制备成本，更有利于商业化；
但TiO2电子传输层导电性能一般，且存在较多的表面缺陷态，容易造成载流子在界面的复合和累积。离子掺杂是调控薄膜缺陷态和导电性的有效手段，比如采用铌和锂元素对TiO2电子传输层进行有效掺杂。但是，对TiO2进行离子掺杂时，往往通过在TiO2的前驱液中加入相应的金属盐，这种方式通常需要复杂的溶胶凝胶过程，增大了实验的复杂性和难度，并不实用。
发明内容
有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，以解决TiO2电子传输层导电性能一般的问题。
基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池，自下而上依次包括：沉积了透明导电玻璃的基底，镁掺杂的二氧化钛电子传输层，钙钛矿吸收层，空穴传输层和电极。
优选地，镁掺杂的二氧化钛电子传输层的厚度为30～50nm，钙钛矿吸收层的厚度为300～1000nm，空穴传输层的厚度为50～300nm，电极的厚度为60～150nm。
优选地，沉积了透明导电玻璃的基底所用的材料为氧化铟锡导电玻璃和掺杂氟的氧化锡透明导电玻璃中的一种或其组合。
优选地，钙钛矿吸收层为具有ABX3结构的材料，其中A为单价阳离子，所用的材料为Rb+、Na+、K+、Cs+、HN＝CHNH3+和CH3NH3+中的一种或多种组合；
B为二价阳离子，所用的材料为Sn2+和Pb2+中的一种或多种组合；
X所用的材料为F-、Cl-、Br-、I-O2-和S2-中的一种或多种组合。
优选地，空穴传输层所用的材料为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]、聚-3已基噻吩、氧化镍、碘化亚铜、硫氰酸亚铜和铜的氧化物中的一种或多种组合。
优选地，电极所用的材料为Au、Al、Cu、C、Ti、Bi和Mo中的一种或多种组合。
一种制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
通过溶胶凝胶法在透明导电玻璃上制备未掺杂的二氧化钛致密层；
冷却到室温后，将二氧化钛致密层浸泡到浓度为0.025M/L的水溶液中，并在四氯化钛的水溶液中分别加入0.005M/L、0.01M/L、0.025M/L的氯化镁，在70℃的烘箱中放置30分钟，取出的薄膜用氮气吹干，再次在马弗炉中退火30分钟，得到镁掺杂的二氧化钛致密层；
通过旋涂法在镁掺杂的二氧化钛致密层的表面制备300～1000nm厚的钙钛矿吸收层；
在钙钛矿吸收层上通过旋涂法制备厚度50～300nm的空穴传输层；
在空穴传输层上用真空热蒸发的方式沉积一层60～150nm厚的电极，制得完整的钙钛矿太阳能电池。
优选地，钙钛矿吸收层的厚度为500nm。
优选地，空穴传输层所用的材料为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴，厚度为200nm。
优选地，电极所用的材料为金，厚度为80nm。
从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，通过将Mg元素作为有效的掺杂剂通过简单的方式引入到致密的TiO2电子传输层中，并构建平面型钙钛矿太阳能电池。Mg掺杂能够使TiO2的费米能级上移，增加薄膜的自由载流子浓度，降低深能级缺陷态浓度。因此TiO2的电阻减小，从而提高整个电池器件的填充因子和光电转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本说明书一个或多个实施例的钙钛矿太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本说明书一个或多个实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池，如图1所示，自下而上依次包括：沉积了透明导电玻璃的基底1，镁(Mg)掺杂的二氧化钛(TiO2)电子传输层2，钙钛矿吸收层(MAPbI3)3，空穴传输层4和电极5，其中沉积了透明导电玻璃的基底1可以为刚性或柔性基底。
作为一种实施方式，镁掺杂的二氧化钛电子传输层2的厚度为30～50nm，钙钛矿吸收层3的厚度为300～1000nm，空穴传输层4的厚度为50～300nm，电极5的厚度为60～150nm。
作为一种实施方式，沉积了透明导电玻璃的基底1所用的材料为氧化铟锡(ITO)导电玻璃和掺杂氟的氧化锡(FTO)透明导电玻璃中的一种或其组合，举例来说，可选为FTO透明导电玻璃。
作为一种实施方式，钙钛矿吸收层3为具有ABX3结构的材料，其中A为单价阳离子，所用的材料为Rb+、Na+、K+、Cs+、HN＝CHNH3+(表示为FA)和CH3NH3+(表示为MA)中的一种或多种组合；
B为二价阳离子，所用的材料为Sn2+和Pb2+中的一种或多种组合；
X所用的材料为F-、Cl-、Br-、I-O2-和S2-中的一种或多种组合。
作为一种实施方式，空穴传输层4所用的材料为有机材料2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)、三苯胺聚合物聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)、高分子共轭聚合物聚-3已基噻吩(P3HT)、无机材料氧化镍(NiO)、碘化亚铜(CuI)、硫氰酸亚铜(CuSCN)和铜的氧化物中的一种或多种组合，前述铜的氧化物可以为氧化铜(CuO)。
作为一种实施方式，电极5所用的材料为金(Au)、铝(Al)、铜(Cu)、碳(C)、钛(Ti)、铋(Bi)和钼(Mo)中的一种或多种组合，举例来说，可选为Au。
本说明书实施例还提供一种制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
通过溶胶凝胶法在透明导电玻璃上制备未掺杂的二氧化钛致密层；
冷却到室温后，将所述二氧化钛致密层浸泡到浓度为0.025M/L的水溶液中，并在四氯化钛(TiCl4)的水溶液中分别加入0.005M/L、0.01M/L、0.025M/L的氯化镁(MgCl2)，在70℃的烘箱中放置30分钟，取出的薄膜用氮气吹干，再次在马弗炉中退火30分钟，得到镁掺杂的二氧化钛致密层；
通过旋涂法在镁掺杂的二氧化钛致密层的表面制备300～1000nm厚的钙钛矿吸收层MAPbI3，即MAPbI3薄膜；
在钙钛矿吸收层上通过旋涂法制备厚度50～300nm的空穴传输层；
在空穴传输层上用真空热蒸发的方式沉积一层60～150nm厚的电极，制得完整的钙钛矿太阳能电池。
作为一种实施方式，钙钛矿吸收层的厚度为500nm。
作为一种实施方式，空穴传输层所用的材料为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200nm。
作为一种实施方式，电极所用的材料为金(Au)，厚度为80nm。
本说明书实施例，通过将Mg元素作为有效的掺杂剂通过简单的方式引入到致密的TiO2电子传输层中，并构建平面型钙钛矿太阳能电池。Mg掺杂能够使TiO2的费米能级上移，增加薄膜的自由载流子浓度，降低深能级缺陷态浓度。因此TiO2的电阻减小，从而提高整个电池器件的填充因子和光电转换效率。
结合表1，对比了没有掺杂Mg和使用不同Mg掺杂浓度的TiO2，作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。可以看出，在TiO2中掺杂Mg可以明显提高器件的填充因子FF，主要得益于Mg的掺杂降低了TiO2的电阻，从而提供了整个电池的填充因子。
表1
Figure BDA0002640515710000051
Figure BDA0002640515710000061
可见本说明书实施例提供的钙钛矿太阳能电池，TiO2的电阻减小，导电性增强，从而提高电池的填充因子和效率。
同时，在制备过程中优选在TiCl4水溶液加入0.01M/L的MgCl2，可得到最佳性能的钙钛矿太阳能电池。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，自下而上依次包括：沉积了透明导电玻璃的基底，镁掺杂的二氧化钛电子传输层，钙钛矿吸收层，空穴传输层和电极。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述镁掺杂的二氧化钛电子传输层的厚度为30～50nm，钙钛矿吸收层的厚度为300～1000nm，空穴传输层的厚度为50～300nm，电极的厚度为60～150nm。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述沉积了透明导电玻璃的基底所用的材料为氧化铟锡导电玻璃和掺杂氟的氧化锡透明导电玻璃中的一种或其组合。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿吸收层为具有ABX3结构的材料，其中A为单价阳离子，所用的材料为Rb+、Na+、K+、Cs+、HN＝CHNH3+和CH3NH3+中的一种或多种组合；
B为二价阳离子，所用的材料为Sn2+和Pb2+中的一种或多种组合；
X所用的材料为F-、Cl-、Br-、I-O2-和S2-中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层所用的材料为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]、聚-3已基噻吩、氧化镍、碘化亚铜、硫氰酸亚铜和铜的氧化物中的一种或多种组合。
6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电极所用的材料为Au、Al、Cu、C、Ti、Bi和Mo中的一种或多种组合。
7.一种制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过溶胶凝胶法在透明导电玻璃上制备未掺杂的二氧化钛致密层；
冷却到室温后，将所述二氧化钛致密层浸泡到浓度为0.025M/L的水溶液中，并在四氯化钛的水溶液中分别加入0.005M/L、0.01M/L、0.025M/L的氯化镁，在70℃的烘箱中放置30分钟，取出的薄膜用氮气吹干，再次在马弗炉中退火30分钟，得到镁掺杂的二氧化钛致密层；
通过旋涂法在镁掺杂的二氧化钛致密层的表面制备300～1000nm厚的钙钛矿吸收层；
在钙钛矿吸收层上通过旋涂法制备厚度50～300nm的空穴传输层；
在空穴传输层上用真空热蒸发的方式沉积一层60～150nm厚的电极，制得完整的钙钛矿太阳能电池。
8.根据权利要求7所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，所述钙钛矿吸收层的厚度为500nm。
9.根据权利要求7所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，所述空穴传输层所用的材料为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴，厚度为200nm。
10.根据权利要求7所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，所述电极所用的材料为金，厚度为80nm。
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