CN112952001A - 一种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及其制备方法，该电池由下至上依次包括透明电极层，NiOx空穴传输层，碘铅铯甲脒钙钛矿层，C60电子传输层，BCP电极修饰层和金属对电极。本发明公开的钙钛矿太阳能电池采用导电玻璃作为透明电极层，采用磁控溅射法沉积NiOx空穴传输层，采用真空蒸发法和刮涂法相结合沉积碘铅铯甲脒钙钛矿层，采用真空蒸发法沉积C60电子传输层、BCP电极修饰层和金属对电极。本发明公开的钙钛矿太阳能电池的制备方法，适合钙钛矿太阳能电池的大批量生产与应用，并且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，是最有希望实现钙钛矿太阳能电池产业化的方法之一。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，具体为一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着社会的快速发展，能源问题和环境问题越来越得到人们的重视，世界的政治经济关系也与这两个问题密切相关。当前，可持续、环境友好型能源备受关注，其中光伏产业发展迅猛。
钙钛矿太阳能电池经过十年的发展，其光电转换效率已经由3.8％提升到24.2％，是新能源领域最耀眼的新星。但如此的高效率仅限于采用传统的旋涂法制备器件，而旋涂法不适合于工业化生产，因此要开发适合大规模批量生产钙钛矿电池组件的方法。而磁控溅射法、真空蒸发法和刮涂法是工业上已经成熟的方法，采用磁控溅射、真空蒸发和刮涂法可以实现大规模生产钙钛矿电池组件。
氧化镍(NiOx)是一种非常重要的p型半导体材料，其因二元成分简单、化学稳定性良好、制备方法多样，得到了广泛的研究。而采用磁控溅射法制备氧化镍薄膜可满足工业化生产的要求。
因此本发明提供了一种制备钙钛矿太阳能电池的方法，该方法结合了磁控溅射、真空蒸发和刮涂等方法，克服了单独使用旋涂法不适合于工业化生产的问题，并有望和卷对卷工艺相兼容，制备柔性、大面积钙钛矿太阳能电池。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，通过结合磁控溅射、真空蒸发和刮涂等方法提供一种制备钙钛矿太阳能电池的方法。
本发明的技术方案为：
一种钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括透明电极层，NiOx空穴传输层，碘铅铯甲脒钙钛矿层，C60电子传输层，BCP电极修饰层和金属对电极。
所述的透明电极层采用导电玻璃，所述的金属对电极采用Ag或Au。
所述的导电玻璃采用铟锡氧化物(ITO，itndium tin oxide)、氟锡氧化物(FTO，fluorinedoped tin oxide)、铝锌氧化物(AZO，aluminium-doped zinc oxide)。
所述的NiOx空穴传输层的厚度为20-50nm。
所述的碘铅铯甲脒钙钛矿层(3)的厚度为220-600nm；
所述的C60电子传输层的厚度为20-50nm。
所述的BCP(Bathocuproine浴铜灵)电极修饰层的厚度为3-10nm。
所述的金属对电极的厚度为120-250nm。
本发明公开的钙钛矿太阳能电池的制备方法包括以下步骤：a)采用导电玻璃作为透明电极层(1)；b)采用磁控溅射法沉积NiOx空穴传输层(2)；c)采用真空蒸发法和刮涂法相结合沉积碘铅铯甲脒钙钛矿层(3)；d)采用真空蒸发法沉积C60电子传输层(4)、BCP电极修饰层(5)和金属对电极(6)。
更进一步地，步骤b)中采用磁控溅射法沉积NiOx空穴传输层(2)的方法为：真空度达到8.9*10-5-9.9*10-5torr，设置Ar/O2(O2含量为2-10％)混合气的流量为10-40sccm，溅射功率为110-150W，溅射时间为3-15min，然后在300-320℃热板上退火1h。
步骤c)中采用真空蒸发法和刮涂法相结合沉积碘铅铯甲脒钙钛矿层(3)的方法为：真空度达到5*10-4-9*10-4Pa后，先后蒸发沉积PbI2 150-500nm和CsI 15-50nm，蒸发速率均为1-4A/s，蒸发完成后，取出至氮气手套箱中，然后采用刮涂法在蒸发沉积的PbI2和CsI层上刮涂浓度为15-35mg/mL的碘化甲脒的异丙醇溶液，刮涂完成之后，在160-180℃热板上退火10min。
使用刮涂法时，刮涂速率为1-20mm/s，铺液流量为0.01-1mL/min，涂头与衬底间距为0.1-1mm。
步骤d)中采用真空蒸发法依次沉积C60电子传输层(4)、BCP电极修饰层(5)和金属对电极(6)的方法为：将完成步骤c)的样品，放入真空蒸发设备中，当真空度达到5*10-4-9*10-4Pa后，先以1-5A/s的蒸发速率蒸发沉积C60电子传输层20-50nm，再以0.2-1A/s的蒸发速率蒸发沉积BCP电极修饰层3-10nm；将沉积完BCP电极修饰层的样品放入真空蒸发设备中，当真空度达到5*10-4-9*10-4Pa后蒸发沉积金属对电极，厚度为120-250nm。
本发明的有益效果
本发明公开的钙钛矿太阳能电池的制备方法，结合了工业上已经成熟的磁控溅射法、真空蒸发法和刮涂法，适合钙钛矿太阳能电池的大批量生产与应用，并且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，该方法成本低、环境友好，是最有希望实现钙钛矿太阳能电池产业化的方法之一。
附图说明
图1为本发明电池的结构示意图。
图中，1.透明电极层，2.NiOx空穴传输层，3.碘铅铯甲脒钙钛矿层，4.C60电子传输层，5.BCP电极修饰层，6.金属对电极层。
图2为实施例1所制备电池电池的J-V曲线。
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，本发明公开了一种结合了磁控溅射法、真空蒸发法以及刮涂法并适用于工业化大规模生产的低成本钙钛矿太阳能电池结构，由下至上依次包括透明电极层1，NiOx空穴传输层2，碘铅铯甲脒钙钛矿层3，C60电子传输层4，BCP电极修饰层5和金属对电极6。本发明有效地利用了碘铅铯甲脒钙钛矿材料优异的吸光特性，并将工业上已经成熟的磁控溅射法、刮涂法和真空蒸发法相结合，并具有超过12％的光电转换效率，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。
所述的透明电极层1采用导电玻璃，所述的碘铅铯甲脒钙钛矿层3采用碘铅铯甲脒有机无机杂化钙钛矿。
本发明的钙钛矿太阳能电池透光/透明电极层的材料为透明且能导电的材料，包括但不限于铟锡氧化物(ITO，itndium tin oxide)、氟锡氧化物(FTO，fluorinedoped tinoxide)、铝锌氧化物(AZO，aluminium-doped zinc oxide)等常用的透明电极材料。
本发明可以采用的设备(磁控溅射，真空蒸发设备，刮涂设备等)为常规磁控溅射设备、常规金属源真空蒸发镀膜仪、常规有机源真空蒸发镀膜仪、常规薄膜涂布机等。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
制备钙钛矿太阳能电池的具体步骤和工艺参数：根据图1所示结构组成，自下而上逐层制备得到本发明的钙钛矿太阳能电池。
1)透明电极层1预处理：采用铟锡氧化物导电玻璃(ITO)作为透明电极层1，使用聚酰亚胺胶带粘贴覆盖一部分透明电极，用作引出电极，宽度为5mm。
2)NiOx空穴传输层2的制备：将完成预处理的导电玻璃(ITO)固定在磁控溅射腔室内的样品架上，关闭腔室门并抽真空，待真空度达到9.9*10-5torr后开始溅射，设置Ar/O2(O2含量为5％)混合气的流量为20sccm，溅射功率为140W，溅射时间为5min。破真空取出样品，然后在320℃热板上退火1h。
3)采用真空蒸发法和刮涂法相结合沉积碘铅铯甲脒钙钛矿层3：将完成退火的ITO/NiOx置于真空蒸发设备中，在真空度达到9*10-4Pa后先后蒸发PbI2 500nm左右和CsI37.5nm左右，蒸发速率均为2A/s，然后将样品转移到氮气手套箱中，刮涂碘化甲脒的异丙醇溶液，溶液浓度为25mg/mL，刮涂速率为10mm/s，铺液流量为0.03mL/min，涂头与衬底间距为0.2mm，刮涂完成后，再置于160℃加热板上退火10min。
4)采用真空蒸发法沉积C60电子传输层4和BCP电极修饰层5：将样品从氮气手套箱取出，放入真空蒸发设备中，在真空度达到9*10-4Pa后以2A/s的蒸发速率蒸发C60 30nm左右，再以0.5A/s的蒸发速率蒸发BCP 5nm左右。
5)采用真空蒸发法沉积金属对电极6：将沉积完BCP电极修饰层的样品放入真空蒸发设备中，待真空度达到9*10-4Pa后蒸发Ag电极，厚度为150nm左右。
经测试，实施例1制备的电池光电转换效率可达12.06％，Jsc为18.78mA/cm2，Voc为1.006V，FF为63.866，其J-V曲线如图2所示。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，由下至上依次包括透明电极层(1)，NiOx空穴传输层(2)，碘铅铯甲脒钙钛矿层(3)，C60电子传输层(4)，BCP电极修饰层(5)和金属对电极(6)。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的透明电极层(1)采用导电玻璃，所述的金属对电极(6)采用Ag或Au；所述的导电玻璃采用铟锡氧化物、氟锡氧化物或铝锌氧化物。
3.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的NiOx空穴传输层(2)厚度为20-50nm；
所述的碘铅铯甲脒钙钛矿层(3)的厚度为220-600nm；
所述的C60电子传输层(4)的厚度为20-50nm；
所述的BCP电极修饰层(5)的厚度为3-10nm；
所述的金属对电极(6)的厚度为120-250nm。
4.一种如权利要求1所述钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a)采用导电玻璃作为透明电极层(1)；b)在透明电极层(1)上采用磁控溅射法沉积NiOx空穴传输层(2)；c)在NiOx空穴传输层上采用真空蒸发法和刮涂法相结合制备碘铅铯甲脒钙钛矿层(3)；d)在碘铅铯甲脒钙钛矿层上采用真空蒸发法依次沉积C60电子传输层(4)、BCP电极修饰层(5)和金属对电极(6)。
5.根据权利要求4所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤a)中透明电极层(1)，使用聚酰亚胺胶带粘贴覆盖一部分透明电极，用作引出电极，宽度为5mm。
6.根据权利要求4所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤b)中采用磁控溅射法沉积NiOx空穴传输层(2)的方法为：磁控溅射的工艺条件为：真空度达到8.9*10-5-9.9*10-5torr，Ar/O2(O2含量为2-10％)混合气的流量为10-40sccm，溅射功率为110-150W，溅射时间为3-15min，溅射完成后，在300-320℃热板上退火1h。
7.根据权利要求4所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤c)中采用真空蒸发法和刮涂法相结合制备碘铅铯甲脒钙钛矿层(3)的方法为：当真空度5*10-4-9*10-4Pa达到后，先后蒸发沉积PbI2 150-500nm和CsI 15-50nm，蒸发速率均为1-4A/s，蒸发沉积完成后，取出至氮气手套箱中，然后采用刮涂法在蒸发沉积的PbI2和CsI层上刮涂浓度为15-35mg/mL的碘化甲脒的异丙醇溶液，刮涂完成之后，在160-180℃热板上退火10min。
8.根据权利要求7所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，使用刮涂法时，刮涂速率为1-20mm/s，铺液流量为0.01-1mL/min，涂头与衬底间距为0.1-1mm。
9.根据权利要求4所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤d)中采用真空蒸发法依次沉积C60电子传输层(4)、BCP电极修饰层(5)和金属对电极(6)的方法为：将完成步骤c)的样品，放入真空蒸发设备中，在真空度达到5*10-4-9*10-4Pa后，先以1-5A/s的蒸发速率蒸发沉积C60电子传输层20-50nm，再以0.2-1A/s的蒸发速率蒸发沉积BCP电极修饰层3-10nm；将沉积完BCP电极修饰层的样品放入真空蒸发设备中，当真空度达到5*10-4-9*10-4Pa后蒸发沉积金属对电极，厚度为120-250nm。
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Application publication date: 20210611 Assignee: CHINA NATIONAL NUCLEAR POWER Co.,Ltd. Assignor: DALIAN INSTITUTE OF CHEMICAL PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2023210000071 Denomination of invention: A perovskite solar cell and its preparation method License type: Exclusive License Record date: 20230808 |
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