CN112670414B - 一种高效稳定钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种高效稳定钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光电功能材料技术领域，具体涉及一种高效稳定钙钛矿太阳能电池及其制备方法。该电池包括依次堆叠的导电玻璃衬底、电子传输层、介孔层、钙钛矿吸收层、中间接触层和碳电极，钙钛矿吸收层为CsPbI3钙钛矿吸收层，中间接触层为PEA2PbI4中间接触层。该电池的制备方法为：通过旋涂法和高温退火法依次堆叠制备导电玻璃衬底、电子传输层、介孔层、钙钛矿吸收层、中间接触层和碳电极。本发明的钙钛矿太阳能电池改善了钙钛矿吸收层和碳电极的界面接触，提高了填充因子、光电转换效率等光电性能以及稳定性。

Description

一种高效稳定钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于光电功能材料技术领域，具体涉及一种高效稳定钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体器件，只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在所有的太阳能电池材料中，钙钛矿电池材料是发展前景最好的一种。钙钛矿是一类氧化物的统称，化学通式为ABO3，在钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿材料主要被用于吸光层，具有禁带宽度可调、电子空穴扩散浓度较长、对缺陷良好的包容性、吸光系数高等优点，使得其在现代社会飞速发展，因此如何完善钙钛矿太阳能电池的光电转换效率以及稳定性等性能也备受各领域的广泛关注。
典型的钙钛矿太阳能电池结构为依次堆叠的FTO/ITO导电玻璃、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、贵金属电极，常用的贵金属电极为金和银，具有很大的材料成本，因此现有人提出使用碳电极替代空穴传输层和贵金属电极，也能取得较高的光电转换效率。但是由于没有空穴传输材料，容易造成电子输运材料与对电极相接触，造成漏电，钙钛矿层与碳电极之间界面接触较差，电池的光电转换效率相对一般，还有待发展，并且其在某些环境下的稳定性也不够优异，同样有待提高。
发明内容
为了解决钙钛矿层与碳电极之间界面接触较差的问题，本发明提供了一种高效稳定钙钛矿太阳能电池，在钙钛矿吸收层和碳电极之间添加了PEA2PbI4中间接触层，改善了钙钛矿太阳能电池的光电性能和稳定性。
本发明提供的高效稳定钙钛矿太阳能电池，包括依次堆叠的导电玻璃衬底、电子传输层、介孔层、钙钛矿吸收层、中间接触层和碳电极，所述钙钛矿吸收层为CsPbI3钙钛矿吸收层，所述中间接触层为PEA2PbI4中间接触层。
进一步的，所述介孔层为双介孔TiO2和ZrO2层，所述钙钛矿吸收层掺有钾离子。
上述高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
(1)将FTO导电玻璃清洗吹干后，进行紫外臭氧处理，处理完成后，在FTO导电玻璃上旋涂二氧化钛浆料，高温退火，形成二氧化钛致密层；
(2)在二氧化钛致密层上旋涂二氧化钛纳米颗粒浆料，高温退火，形成二氧化钛介孔层；
(3)在二氧化钛介孔层上旋涂二氧化锆浆料，高温退火，形成二氧化锆介孔层；
(4)配置钙钛矿前驱体溶液：将CsI、PbI2、KI溶解到DMF和DMSO的混合液中，搅拌混匀；
(5)将钙钛矿前驱体溶液旋涂在二氧化锆介孔层上，高温退火，形成CsPbI3钙钛矿吸收层；
(6)配置PEAI溶液，旋涂于CsPbI3钙钛矿吸收层上，高温退火，PEAI与CsPbI3钙钛矿吸收层表面残余的PbI2反应，形成PEA2PbI4中间接触层；
(7)将碳浆料刮涂在PEA2PbI4中间接触层上，高温退火，形成碳电极，制得太阳能电池。
进一步的，所述步骤(1)中，紫外臭氧处理时间为5-10min；旋涂时间为20-50s，旋涂厚度为20-50nm，退火温度为500-600℃，退火时间为1-1.5h。
进一步的，所述步骤(2)中，旋涂时间为30-90s，旋涂厚度为150-350nm，退火温度为500-600℃，退火时间为1.5-2h。
进一步的，所述步骤(3)中，旋涂时间为30-60s，旋涂厚度为150-300nm，退火温度为450-550℃，退火时间为1-2h。
进一步的，所述步骤(4)为：将质量百分比为38-45％CsI、52-65％PbI2、0.5-2％KI溶解到DMF和DMSO的混合液中，DMF和DMSO的体积比为2-5:8-5，在55-65℃下搅拌1-2h。
进一步的，所述步骤(5)中，旋涂时间为20-70s，旋涂厚度为200-500nm，退火温度为150-300℃，退火时间为5-15min。
进一步的，所述步骤(6)中，PEAI溶液的浓度为15mg/mL，旋涂时间为20-40s，旋涂厚度为50-80nm，退火温度为80-120℃，退火时间为5-15min。
进一步的，所述步骤(7)中，刮涂厚度为10-20μm，退火温度为100-150℃，退火时间为15-25min。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的高效稳定钙钛矿太阳能电池，采用双介孔TiO2和ZrO2层，能够使电池获取到较高的电子迁移率和激子寿命，提高了电池的光电转换效率；K+的适量掺杂可以细化CsPbI3晶粒，提高了钙钛矿吸收层的质量，提升了吸光度与载流子寿命，进而提高了光电转换效率；引入PEAI，设有PEA2PbI4中间接触层，改善了CsPbI3钙钛矿吸收层和碳电极的界面接触，大大提高了填充因子，同时也就提高了光电转换效率，并且PEA2PbI4具有较好的导带和价带位置，能够抑制光生载流子在CsPbI3和碳电极界面处的复合，电池的短路光电流和稳定性均得到了提高；采用碳电极替代空穴传输层和贵金属电极，大大降低了材料成本，并提高了电池稳定性。
本发明提供的高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法，操作简单，成本较低，选定了合适的步骤及参数，使材料之间相互结合发挥出了最好的作用，具有很好的应用价值。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供的高效稳定钙钛矿太阳能电池，包括依次堆叠的导电玻璃衬底、电子传输层、介孔层、CsPbI3钙钛矿吸收层、PEA2PbI4中间接触层和碳电极，其中，介孔层为双介孔TiO2和ZrO2层，钙钛矿吸收层掺有钾离子。
上述高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
(1)将FTO导电玻璃清洗吹干后，进行7min紫外臭氧处理，处理完成后，在FTO导电玻璃上旋涂二氧化钛浆料，旋涂时间为24s，旋涂厚度为30nm，在500℃下退火1.5h，形成二氧化钛致密层；
(2)在二氧化钛致密层上旋涂二氧化钛纳米颗粒浆料，旋涂时间43s，旋涂厚度为200nm，在500℃下退火1.5h，形成二氧化钛介孔层；
(3)在二氧化钛介孔层上旋涂二氧化锆浆料，旋涂时间为47s，旋涂厚度为220nm，在480℃下退火1.5h，形成二氧化锆介孔层；
(4)配置钙钛矿前驱体溶液：将质量百分比为41％CsI、58％PbI2、1％KI溶解到DMF和DMSO的混合液中，DMF和DMSO的体积比为3:7，在60℃下搅拌1.5h，混合均匀；
(5)将钙钛矿前驱体溶液旋涂在二氧化锆介孔层上，旋涂时间为20-70s，旋涂厚度为320nm，在270℃下退火8min，形成CsPbI3钙钛矿吸收层；
(6)配置浓度为15mg/mL的PEAI溶液，将其旋涂于CsPbI3钙钛矿吸收层上，旋涂时间为25s，旋涂厚度为60nm，在100℃下退火10min，PEAI与CsPbI3钙钛矿吸收层表面残余的PbI2反应，形成PEA2PbI4中间接触层；
(7)将碳浆料刮涂在PEA2PbI4中间接触层上，刮涂厚度为13μm，在110℃下退火20min，形成碳电极，制得太阳能电池。
对比例1
该对比例的钙钛矿太阳能电池不设有PEA2PbI4中间接触层，其它均与实施例1相同。
实施例2
本实施例提供的高效稳定钙钛矿太阳能电池，包括依次堆叠的导电玻璃衬底、电子传输层、介孔层、CsPbI3钙钛矿吸收层、PEA2PbI4中间接触层和碳电极，其中，介孔层为双介孔TiO2和ZrO2层，钙钛矿吸收层掺有钾离子。
上述高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
(1)将FTO导电玻璃清洗吹干后，进行10min紫外臭氧处理，处理完成后，在FTO导电玻璃上旋涂二氧化钛浆料，旋涂时间为35s，旋涂厚度为40nm，在570℃下退火1h，形成二氧化钛致密层；
(2)在二氧化钛致密层上旋涂二氧化钛纳米颗粒浆料，旋涂时间为56s，旋涂厚度为300nm，在600℃下退火1.5h，形成二氧化钛介孔层；
(3)在二氧化钛介孔层上旋涂二氧化锆浆料，旋涂时间为55s，旋涂厚度为270nm，在550℃下退火1h，形成二氧化锆介孔层；
(4)配置钙钛矿前驱体溶液：将质量百分比为45％CsI、53.5％PbI2、1.5％KI溶解到DMF和DMSO的混合液中，DMF和DMSO的体积比为4:6，在60℃下搅拌1.5h，混合均匀；
(5)将钙钛矿前驱体溶液旋涂在二氧化锆介孔层上，旋涂时间为32s，旋涂厚度为410nm，在275℃下退火9min，形成CsPbI3钙钛矿吸收层；
(6)配置浓度为15mg/mL的PEAI溶液，将其旋涂于CsPbI3钙钛矿吸收层上，旋涂时间为36s，旋涂厚度为78nm，在110℃下退火10min，PEAI与CsPbI3钙钛矿吸收层表面残余的PbI2反应，形成PEA2PbI4中间接触层；
(7)将碳浆料刮涂在PEA2PbI4中间接触层上，刮涂厚度为16μm，在130℃下退火18min，形成碳电极，制得太阳能电池。
对比例2
该对比例的钙钛矿太阳能电池的钙钛矿吸收层不掺有钾离子，其它均与实施例2相同。
对实施例1-2和对比例1-2的钙钛矿太阳能电池在100mW/cm2的模拟光照射下进行光电性能测试，测试结果如表1所示。
表1-钙钛矿太阳能电池光电性能测试结果
通过表1可以看出，实施例1-2的钙钛矿太阳能电池的填充因子和光电转换效率明显优于对比例1-2的钙钛矿太阳能电池，说明了添设PEA2PbI4中间接触层以及在钙钛矿吸收层掺有钾离子能够提高钙钛矿太阳能电池的光电性能。
尽管通过优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括依次堆叠的导电玻璃衬底、电子传输层、介孔层、钙钛矿吸收层、中间接触层和碳电极，所述钙钛矿吸收层为CsPbI3钙钛矿吸收层，所述中间接触层为PEA2PbI4中间接触层；
所述介孔层为双介孔TiO2和ZrO2层，所述钙钛矿吸收层掺有钾离子；
所述高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
(1)将FTO导电玻璃清洗吹干后，进行紫外臭氧处理，处理完成后，在FTO导电玻璃上旋涂二氧化钛浆料，高温退火，形成二氧化钛致密层；
(2)在二氧化钛致密层上旋涂二氧化钛纳米颗粒浆料，高温退火，形成二氧化钛介孔层；
(3)在二氧化钛介孔层上旋涂二氧化锆浆料，高温退火，形成二氧化锆介孔层；
(4)配置钙钛矿前驱体溶液：将CsI、PbI2、KI溶解到DMF和DMSO的混合液中，搅拌混匀；
(5)将钙钛矿前驱体溶液旋涂在二氧化锆介孔层上，高温退火，形成CsPbI3钙钛矿吸收层；
(6)配置PEAI溶液，旋涂于CsPbI3钙钛矿吸收层上，高温退火，PEAI与CsPbI3钙钛矿吸收层表面残余的PbI2反应，形成PEA2PbI4中间接触层；
(7)将碳浆料刮涂在PEA2PbI4中间接触层上，高温退火，形成碳电极，制得太阳能电池。
2.如权利要求1所述的一种高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(1)中，紫外臭氧处理时间为5-10min；旋涂时间为20-50s，旋涂厚度为20-50nm，退火温度为500-600℃，退火时间为1-1.5h。
3.如权利要求1所述的一种高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(2)中，旋涂时间为30-90s，旋涂厚度为150-350nm，退火温度为500-600℃，退火时间为1.5-2h。
4.如权利要求1所述的一种高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于所述步骤(3)中，旋涂时间为30-60s，旋涂厚度为150-300nm，退火温度为450-550℃，退火时间为1-2h。
5.如权利要求1所述的一种高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(4)为：将质量百分比为38-45％CsI、52-65％PbI2、0.5-2％KI溶解到DMF和DMSO的混合液中，DMF和DMSO的体积比为2-5:8-5，在55-65℃下搅拌1-2h。
6.如权利要求1所述的一种高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(5)中，旋涂时间为20-70s，旋涂厚度为200-500nm，退火温度为150-300℃，退火时间为5-15min。
7.如权利要求1所述的一种高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(6)中，PEAI溶液的浓度为15mg/mL，旋涂时间为20-40s，旋涂厚度为50-80nm，退火温度为80-120℃，退火时间为5-15min。
8.如权利要求1所述的一种高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(7)中，刮涂厚度为10-20μm，退火温度为100-150℃，退火时间为15-25min。
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