CN112599680A - 一种基于聚酰亚胺基底的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，采用聚酰亚胺作为柔性基底，器件从ITO透明电极面入光。柔性电池结构由下至上依次为聚酰亚胺柔性基底、ITO电极层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、缓冲层和透明电极。电子传输层材料为SnO2、TiO2或ZnO；钙钛矿吸光层材料为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3‑xClx、(FAPbI3)1‑x(MAPbBr3)x、(CsFAMA)PbI3‑xBrx或(CsFAMA)PbI3‑ xClx，钙钛矿层厚度为300‑500nm；空穴传输层材料为Spiro‑OMeTAD、PTAA或PEDOT:PSS；缓冲层材料为NPB、MoOx或NiOx。本发明采用柔韧性好的聚酰亚胺作为柔性基底，采用透光率高、方阻小的ITO作为透明电极，并在空穴传输层和透明电极之间沉积缓冲层来改善界面接触、保护空穴传输层，从而制备柔性钙钛矿太阳能电池，克服了目前刚性钙钛矿太阳能电池厚重、体积大、不能弯折、不便于随身携带等问题。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于聚酰亚胺基底的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着煤炭、石油和天然气等非可再生资源日益枯竭，可持续、环境友好型能源备受关注，其中光伏产业发展迅猛。当前，新能源特别是太阳能电池成为国内外研究关注的一个热点。传统的硅电池相对来说成本过高，染料敏化电池在制备技术上有很多限制，而有机太阳能电池虽然电池结构简单但是稳定性极差，所以它们在工业化上还存在很多问题。钙钛矿太阳能电池自2009年第一次报道以来，以其超低成本溶液法制备工艺而受到研究人员的青睐，能量转换效率由最初的3.8％提升到了24.2％，随着研究的不断深入，电池的效率极有可能超过目前发展成熟的单晶硅太阳能电池。钙钛矿太阳能电池从最初的需要一层多孔层支架再到后来可以直接做成薄膜电池，在工业化生产上也具有非常大的应用前景。同时，采用的旋转涂布溶液法工艺与卷对卷大批量制备方法兼容，也为产业化做了极好的铺垫。
随着5G时代的到来，万物互联成为未来发展趋势，因此开发柔性便携式太阳能电池也成为光伏产业的研究重点。有机无机杂化钙钛矿太阳能电池因其具有高效、低成本、可柔性制备的特性，成为当今最具有商业化应用前景的光伏技术。虽然钙钛矿太阳能电池有诸多优点，但基于刚性基底的电池具有重量大、不能弯折等问题；此外，界面接触问题也是制约钙钛矿太阳电池性能的因素之一。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，提供一种柔性钙钛矿太阳能电池及制备方法，采用不透明衬底，器件从ITO透明电极面入光，并在空穴传输层和电极之间引入缓冲层使界面能级更匹配，同时保护空穴传输层不被破坏。本发明工艺简单、成本低、可工业化大规模生产柔性太阳能电池器件。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种柔性钙钛矿太阳能电池，电池的结构由下至上依次为聚酰亚胺基底、ITO电极层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、缓冲层和透明电极。
进一步地，聚酰亚胺基底厚度为50-250μm；ITO电极层厚度为2-5μm；电子传输层厚度为5-50nm；钙钛矿吸光层厚度为300-500nm；空穴传输层厚度为50-300nm；缓冲层厚度为5-50nm；透明电极厚度为100-300nm。
进一步地，电子传输层的材料为SnO2、TiO2或ZnO；
钙钛矿吸光层的材料为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-xClx、(FAPbI3)1-x(MAPbBr3)x、(CsFAMA)PbI3-xBrx或(CsFAMA)PbI3-xClx；
空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD、PTAA、或PEDOT:PSS；
缓冲层的材料为NPB、MoOx或NiOx；
透明电极的材料为ITO。
本发明还提供一种上述柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)对聚酰亚胺基底进行前处理；在前处理后的聚酰亚胺基底上，采用电子束蒸发法沉积ITO电极层；
(2)在ITO电极层之上采用电子束蒸发法沉积电子传输层；
(3)在电子传输层之上采用真空蒸发法制备钙钛矿吸光层；
(4)在钙钛矿吸光层之上采用溶液法制备空穴传输层；
(5)在空穴传输层之上采用真空蒸发法沉积缓冲层；
(6)在缓冲层之上采用磁控溅射法制备ITO透明电极。
进一步地，步骤(1)中，前处理为将聚酰亚胺基底在无水乙醇中超声清洗30min，然后用去离子水超声清洗3次，每次20min，最后在70℃烘箱中烘干；
在聚酰亚胺基底上采用电子束蒸发法沉积ITO电极层，腔体真空度低于9.9*10-4Pa时开始沉积，沉积速率为1-5nm/s，功率为2％-10％。
进一步地，步骤(2)中，腔体真空度低于9.9*10-4Pa时开始沉积，沉积速率为
功率为2％-10％。
进一步地，步骤(3)中，真空蒸发法具体是在有机源热蒸发设备中逐层沉积钙钛矿原材料，蒸发速率为
蒸发温度为80-300℃，沉积后在110-160℃氮气烘箱中退火1h。
进一步地，步骤(4)中，溶液法具体为旋涂Spiro-OMeTAD的氯苯溶液、PTAA的氯苯溶液或PEDOT:PSS的氯苯溶液，溶液浓度为1-1.5mol/L。
进一步地，步骤(5)中，真空度低于9.9*10-4Pa时开始沉积，沉积速率为
功率为2％-10％。
进一步地，步骤(6)中，真空度低于9.9*10-5torr时开始磁控溅射，功率为80-180W，Ar流量为20sccm。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明公开了一种柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法，采用柔韧性好的聚酰亚胺作为柔性基底，采用透光率高、方阻小的ITO作为透明电极，并在空穴传输层和电极层之间引入缓冲层以改善界面接触，使界面能级更匹配，同时保护空穴传输层不被破坏，克服了目前刚性钙钛矿太阳能电池厚重、体积大、不便于随身携带等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明电池的结构示意图。
图2为本发明电池的电流密度-电压曲线图
图3为对比例电池的电流密度-电压曲线图
其中，1：聚酰亚胺基底；2：ITO电极层；3：电子传输层；4：钙钛矿吸光层；5：空穴传输层；6：缓冲层；7：ITO透明电极。
具体实施方式
下面通过结合附图与实施例详细描述本发明的器件及其制备方法，但不构成对本发明的限制。
如图1所示，本发明公开了一种基于聚酰亚胺基底的柔性钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括聚酰亚胺柔性基底1、ITO电极层2、电子传输层3、钙钛矿吸光层4、空穴传输层5、缓冲层6和ITO透明电极7。本发明有效地利用了钙钛矿材料优异的吸光特性，适合工业上大批量生产并应用于各个方向，能够制备出大面积的电池组件，成本与传统硅基太阳能电池相比有很大优势。
本发明所用材料均可市购得到。
实施例1
1)将聚酰亚胺柔性基底在无水乙醇中超声清洗30min，然后用去离子水超声清洗3次，每次20min，最后在70℃烘箱中烘干备用。
2)在清洗干净的聚酰亚胺柔性基底上，采用电子束蒸发法沉积ITO电极层，沉积开始时腔体真空度低于9.9*10-4Pa，沉积速率为2nm/s，功率为5％，厚度为4μm。
3)在聚酰亚胺/ITO柔性基底上采用电子束蒸发法沉积30nm SnO2电子传输层。沉积开始时腔体真空度低于9.9*10-4Pa，蒸发速率为
功率为5％，O2流量为15sccm，温度为常温。
4)将沉积完SnO2的柔性基底在UV照射机中照射30min，采用真空蒸发法制备钙钛矿吸光层，具体是在有机源热蒸发设备中按照顺序逐层沉积FAI、MACl、CsI、PbI2，蒸发速率为
蒸发温度为80-300℃，并在110-160℃氮气烘箱中退火1h；
5)在钙钛矿吸光层之上采用溶液法制备空穴传输层，具体为旋涂Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，溶液浓度为1mol/L，旋涂转速为5000rpm，时间为30s；
6)在空穴传输层之上采用真空蒸发法沉积NiOx缓冲层，沉积开始时真空度低于9.9*10-4Pa，沉积速率为
功率为5％，厚度为15nm；
7)在缓冲层之上采用磁控溅射法制备ITO透明电极，溅射开始时真空度低于9.9*10-5torr，功率为180W，Ar流量为20sccm，ITO厚度为200nm。
8)最后用吉时利2400数字源表测试电池效率，扫描电压设为1.2至-0.1V，步进为0.1V，间隔时间为10ms。结果如图2，电池的开路电压为1.03V，短路电流密度为9.46mA/cm2，填充因子为45.96％，光电转换效率为4.49％。
对比例
1)将聚酰亚胺柔性基底在无水乙醇中超声清洗30min，然后用去离子水超声清洗3次，每次20min，最后在70℃烘箱中烘干备用。
2)在清洗干净的聚酰亚胺柔性基底上，采用电子束蒸发法沉积ITO电极层，沉积开始时腔体真空度低于9.9*10-4Pa，沉积速率为2nm/s，功率为5％，厚度为4μm。
3)在聚酰亚胺/ITO柔性基底上采用电子束蒸发法沉积30nm SnO2电子传输层。沉积开始时腔体真空度低于9.9*10-4Pa，蒸发速率为
功率为5％，O2流量为15sccm，温度为常温。
4)将沉积完SnO2的柔性基底在UV照射机中照射30min，采用真空蒸发法制备钙钛矿吸光层，具体是在有机源热蒸发设备中按照顺序逐层沉积FAI、MACl、CsI、PbI2，蒸发速率为
蒸发温度为80-300℃，并在110-160℃氮气烘箱中退火1h；
5)在钙钛矿吸光层之上采用溶液法制备空穴传输层，具体为旋涂Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，溶液浓度为1mol/L，旋涂转速为5000rpm，时间为30s；
6)在空穴传输层之上采用磁控溅射法制备ITO透明电极，溅射开始时真空度低于9.9*10-5torr，功率为180W，Ar流量为20sccm，ITO厚度为200nm。
7)最后用吉时利2400数字源表测试电池效率，扫描电压设为1.2至-0.1V，步进为0.1V，间隔时间为10ms。结果如图3，电池的开路电压为0.89V，短路电流密度为2.46mA/cm2，填充因子为23.62％，光电转换效率为0.52％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电池的结构由下至上依次为聚酰亚胺基底、ITO电极层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、缓冲层和透明电极。
2.根据权利要求1所述的柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述聚酰亚胺基底厚度为50-250μm；所述ITO电极层厚度为2-5μm；所述电子传输层厚度为5-50nm；所述钙钛矿吸光层厚度为300-500nm；所述空穴传输层厚度为50-300nm；所述缓冲层厚度为5-50nm；所述透明电极厚度为100-300nm。
3.根据权利要求1所述的柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
所述电子传输层的材料为SnO2、TiO2或ZnO；
所述钙钛矿吸光层的材料为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-xClx、(FAPbI3)1-x(MAPbBr3)x、(CsFAMA)PbI3-xBrx或(CsFAMA)PbI3-xClx；
所述空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD、PTAA、或PEDOT:PSS；
所述缓冲层的材料为NPB、MoOx或NiOx；
所述透明电极的材料为ITO。
4.一种根据权利要求1-3任意一项所述柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对聚酰亚胺基底进行前处理；在前处理后的聚酰亚胺基底上，采用电子束蒸发法沉积ITO电极层；
(2)在ITO电极层之上采用电子束蒸发法沉积电子传输层；
(3)在电子传输层之上采用真空蒸发法制备钙钛矿吸光层；
(4)在钙钛矿吸光层之上采用溶液法制备空穴传输层；
(5)在空穴传输层之上采用真空蒸发法沉积缓冲层；
(6)在缓冲层之上采用磁控溅射法制备ITO透明电极。
5.根据权利要求4所述的柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(1)中，前处理为将聚酰亚胺基底在无水乙醇中超声清洗30min，然后用去离子水超声清洗3次，每次20min，最后在70℃烘箱中烘干；在腔体真空度低于9.9*10-4Pa时开始沉积，沉积速率为1-5nm/s，功率为2％-10％。
6.根据权利要求4所述的柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(2)中，腔体真空度低于9.9*10-4Pa时开始沉积，沉积速率为
功率为2％-10％。
7.根据权利要求4所述的柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(3)中，真空蒸发法具体是在有机源热蒸发设备中逐层沉积钙钛矿原材料，蒸发速率为
蒸发温度为80-300℃，沉积后在110-160℃氮气烘箱中退火1h。
8.根据权利要求4所述的柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(4)中，溶液法具体为旋涂Spiro-OMeTAD的氯苯溶液、PTAA的氯苯溶液或PEDOT:PSS的氯苯溶液，溶液浓度为1-1.5mol/L。
9.根据权利要求4所述的柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(5)中，真空度低于9.9*10-4Pa时开始沉积，沉积速率为
功率为2％-10％。
10.根据权利要求4所述的柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(6)中，真空度低于9.9*10-5torr时开始磁控溅射，功率为80-180W，Ar流量为20sccm。
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| CN202011475655.6A CN112599680A (zh) | 2020-12-14 | 2020-12-14 | 一种基于聚酰亚胺基底的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
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-
2020
- 2020-12-14 CN CN202011475655.6A patent/CN112599680A/zh active Pending
Patent Citations (6)
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