CN113299835A - 基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池及制备方法，涉及新能源太阳能电池器件技术领域，从下到上依次为衬底、透明导电阳极ITO、阳极缓冲层、金属纳米棒阵列层、光活性层、PCBM阴极缓冲层和金属阴极；本发明通过在阳极缓冲层于光活性层之间添加金属纳米棒阵列层，有效调控了阳极缓冲层与光活性层的层间接触特性，降低了器件内部层间能量损耗，能够有效提高器件开路电压，同时，金属纳米棒阵列层与光活性层的接触特性较好，能够有效优化光活性层的结晶生长，并进一步的提高器件短路电流特性。

Description

基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及新能源太阳能电池器件技术领域，具体而言，涉及基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着世界经济的飞速发展和科学技术的日益更新，人类对能源的需求与日俱增，然而传统化石能源的过度使用造成的化石能源储量骤减及环境污染这两大类问题也随之出现，因此，开发利用新型清洁能源被认为是新世纪的一个重点项目。在此背景下，太阳能作为一种可再生绿色能源，以其取之不尽，用之不竭、分布广泛、完全绿色无污染等特点受到了科研人员的广泛关注。其中，金属卤化物钙钛矿被认为是最有前途的半导体材料之一，其具有优异的光电性能，如可调节的带隙，高吸收系数，长的载流子扩散长度和简单的溶液可加工性，是良好的太阳能电池候选材料。自2009年首次报道钙钛矿用作太阳能电池器件以来，单晶钙钛矿的实验室能量转换效率已经提高到25.5％的认证值，是目前最佳的单结光伏器件值之一。此外，由于钙钛矿材料的能级可调度高，混合不同成分和带隙的钙钛矿材料制备钙钛矿光伏器件具有惊人的发展前景。
中国专利CN109980089A公开了一种有机太阳能电池及其制备方法，该有机太阳能电池为倒置结构，从下到上依次包括衬底、透明导电阴极、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层和金属阳极；阴极缓冲层经液晶材料修饰；本发明有机太阳能电池通过采用特定的液晶材料修饰阴极修饰层，可诱导阴极缓冲层的材料形成尺度上的分散，同时钝化阴极缓冲层材料表面的缺陷，提高电子、孔穴的产生和传输，增大短路电流和能量转换效率，从而极大提高有机太阳能电池的器件性能；且所采用液晶材料易得且成本低。但是，此专利中器件内部层之间的能量损耗严重，光活性层的结晶生长慢，从而太阳能电池器件的质量不高。
发明内容
本发明提供了一种基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池及其制备方法，用以解决现有技术中存在的器件内部层之间的能量损耗严重，光活性层的结晶生长慢，从而太阳能电池器件的质量不高的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池，从下到上依次为衬底、透明导电阳极ITO、阳极缓冲层、金属纳米棒阵列层、光活性层、PCBM阴极缓冲层和金属阴极。
进一步地，所述光活性层由钙钛矿MAPbI3溶液制备而成，厚度范围为150～500nm。
进一步地，所述阳极缓冲层采用的材料为PEDOT:PSS，厚度范围为30～60nm。
进一步地，所述金属纳米棒阵列层采用的材料为金属纳米棒颗粒，直径尺寸范围为5～15nm，长径比范围为1:1.5～1:3.7。
进一步地，所述金属阴极采用的材料为Ag、Al或Au中的一种或多种，薄层厚度范围为100～200nm。
进一步地，衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：对由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤S2：在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂阳极缓冲层PEDOT:PSS水分散液，并进行热退火；
步骤S3：利用界面分离法制备随机分布、致密的单原子层金属纳米棒阵列层，并通过转印法将其转印至PEDOT:PSS阳极缓冲层上；
步骤S4：将MAPbI3溶液滴于金属纳米棒阵列层上，并通过旋涂工艺制备光活性层；
步骤S5：将器件转移至通有高频交变电流的导线圈中，利用涡流生热效应对光活性层进行热退火处理；
步骤S6：在光活性层表面旋转涂覆、印刷或喷涂阴极缓冲层PCBM溶液，并进行热退火；
步骤S7：真空度为3*10-4Pa的条件下，在PCBM阴极缓冲层上蒸镀金属阴极。
进一步地，所述步骤S2中热退火的温度范围为200～250℃，时间范围为1～2h。
进一步地，所述步骤S3中的金属纳米棒阵列层的厚度范围为5～45nm。
进一步地，所述步骤S5中涡流生热效应的维度范围为50～150℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明中通过在阳极缓冲层于光活性层之间添加金属纳米棒阵列层，有效调控了阳极缓冲层与光活性层的层间接触特性，降低了器件内部层间能量损耗，能够有效提高器件开路电压，同时，金属纳米棒阵列层与光活性层的接触特性较好，能够有效优化光活性层的结晶生长，并进一步的提高器件短路电流特性。
(2)本发明中的金属纳米棒阵列层能够有效拓展器件对近红外波段的光波吸收，从基础原理上提供了提高器件短路电流的理论可能性，同时，将器件的光学吸收拓宽至近红外波段后，该器件能够同时吸收转换可见光-近红外双波段光波，充分展现了其在双波段的探测性能潜力，因此，本发明为进一步发展该方法至钙钛矿光电探测器件提供了充分的理论依据及具体的可行性分析。
(3)本发明通过对金属纳米棒阵列层进行交变电流场处理，实现对钙钛矿光活性层的涡流生热退火处理，能够有效提高钙钛矿光活性层的结晶生长特性，促进钙钛矿层形成更大晶粒、更少表面晶界的高质量薄膜，为实现高效钙钛矿太阳能电池器件提供了保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明的结构示意图；
其中，附图标记为：
1-衬底；2-透明导电阳极ITO；3-阳极缓冲层；4-金属纳米棒阵列层；5-光活性层；6-PCBM阴极缓冲层；7-金属阴极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
为了验证本发明所制器件的性能，现通过以下对比试验进一步说明：
实施例1(对照组)
S1：对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底1及透明导电阳极ITO2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
S2：在透明导电阳极ITO2表面旋转涂覆PEDOT：PSS(3000rpm，50s，40nm)制备阳极缓冲层3，并将所形成的薄膜进行热退火处理(135℃，1h)；
S3：在阳极缓冲层3上滴覆MAPbI3溶液，采用旋涂工艺制备光活性层5(5000rpm，40s，200nm)；
S4：氮气环境下将光活性层5置于90℃恒温热台上加热退火10min；
S5：在光活性层5上旋转涂覆PCBM(4000rpm，25s，30nm)制备PCBM阴极缓冲层6，并将所形成的薄膜进行热退火处理(100℃，20h)；
S6：在PCBM阴极缓冲层6上蒸镀金属阴极7Ag(100nm)；
S7：在标准测试条件下：AM 1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.95V，短路电流(JSC)＝19.23mA/cm2，填充因子(FF)＝0.76，光电转换效率(PCE)＝13.88％。
实施例2
如图1所示，基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底1及透明导电阳极ITO2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤S2：在透明导电阳极ITO2表面旋转涂覆PEDOT：PSS(3000rpm，50s，40nm)制备阳极缓冲层3，并将所形成的薄膜进行热退火处理(135℃，1h)；
步骤S3：在阳极缓冲层3上转印一层金属纳米棒阵列层4(～25nm)；
步骤S4：采用旋涂工艺在金属纳米棒阵列层4上制备光活性层5(5000rpm，40s，200nm)；
步骤S5：氮气环境下将光活性层5置于通有交变电流的导线圈中进行涡流热退火(50℃，10min)；
步骤S6：在光活性层5上旋转涂覆PCBM(4000rpm，25s，30nm)制备PCBM阴极缓冲层6，并将所形成的薄膜进行热退火处理(100℃，20h)；
步骤S7：在PCBM阴极缓冲层6上蒸镀金属阴极7Ag(100nm)；
步骤S8：在标准测试条件下：AM 1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.99V，短路电流(JSC)＝18.96mA/cm2，填充因子(FF)＝0.69，光电转换效率(PCE)＝12.95％。
实施例3
如图1所示，基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底1及透明导电阳极ITO2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤S2：在透明导电阳极ITO2表面旋转涂覆PEDOT：PSS(3000rpm，50s，40nm)制备阳极缓冲层3，并将所形成的薄膜进行热退火处理(135℃，1h)；
步骤S3：在阳极缓冲层3上转印一层金属纳米棒阵列层4(～25nm)；
步骤S4：采用旋涂工艺在金属纳米棒阵列层4上制备光活性层5(5000rpm，40s，200nm)；
步骤S5：氮气环境下将光活性层5置于通有交变电流的导线圈中进行涡流热退火(70℃，10min)；
步骤S6：在光活性层5上旋转涂覆PCBM(4000rpm，25s，30nm)制备PCBM阴极缓冲层6，并将所形成的薄膜进行热退火处理(100℃，20h)；
步骤S7：在PCBM阴极缓冲层6上蒸镀金属阴极7Ag(100nm)；
步骤S8：在标准测试条件下：AM 1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝1.01V，短路电流(JSC)＝21.36mA/cm2，填充因子(FF)＝0.78，光电转换效率(PCE)＝16.83％。
实施例4
如图1所示，基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底1及透明导电阳极ITO2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤S2：在透明导电阳极ITO2表面旋转涂覆PEDOT：PSS(3000rpm，50s，40nm)制备阳极缓冲层3，并将所形成的薄膜进行热退火处理(135℃，1h)；
步骤S3：在阳极缓冲层3上转印一层金属纳米棒阵列层4(～25nm)；
步骤S4：采用旋涂工艺在金属纳米棒阵列层4上制备光活性层5(5000rpm，40s，200nm)；
步骤S5：氮气环境下将光活性层5置于通有交变电流的导线圈中进行涡流热退火(90℃，10min)；
步骤S6：在光活性层5上旋转涂覆PCBM(4000rpm，25s，30nm)制备PCBM阴极缓冲层6，并将所形成的薄膜进行热退火处理(100℃，20h)；
步骤S7：在PCBM阴极缓冲层6上蒸镀金属阴极7Ag(100nm)；
步骤S8：在标准测试条件下：AM 1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝1.01V，短路电流(JSC)＝22.56mA/cm2，填充因子(FF)＝0.81，光电转换效率(PCE)＝18.46％。
实施例5
如图1所示，基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底1及透明导电阳极ITO2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤S2：在透明导电阳极ITO2表面旋转涂覆PEDOT：PSS(3000rpm，50s，40nm)制备阳极缓冲层3，并将所形成的薄膜进行热退火处理(135℃，1h)；
步骤S3：在PCBM阴极缓冲层6上转印一层金属纳米棒阵列层4(～25nm)；
步骤S4：采用旋涂工艺在金属纳米棒阵列层4上制备光活性层5(5000rpm，40s，200nm)；
步骤S5：氮气环境下将光活性层5置于通有交变电流的导线圈中进行涡流热退火(110℃，10min)；
步骤S6：在光活性层5上旋转涂覆PCBM(4000rpm，25s，30nm)制备PCBM阴极缓冲层6，并将所形成的薄膜进行热退火处理(100℃，20h)；
步骤S7：在PCBM阴极缓冲层6上蒸镀金属阴极7Ag(100nm)；
步骤S8：在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝1.01V，短路电流(JSC)＝21.96mA/cm2，填充因子(FF)＝0.80，光电转换效率(PCE)＝17.74％。
实施例6
如图1所示，基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底1及透明导电阳极ITO2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤S2：在透明导电阳极ITO2表面旋转涂覆PEDOT：PSS(3000rpm，50s，40nm)制备阳极缓冲层3，并将所形成的薄膜进行热退火处理(135℃，1h)；
步骤S3：在阳极缓冲层3上转印一层金属纳米棒阵列层4(～25nm)；
步骤S4：采用旋涂工艺在金属纳米棒阵列层4上制备光活性层5(5000rpm，40s，200nm)；
步骤S5：氮气环境下将光活性层5置于90℃恒温热台上加热退火10min；
步骤S6：在光活性层5上旋转涂覆PCBM(4000rpm，25s，30nm)制备PCBM阴极缓冲层6，并将所形成的薄膜进行热退火处理(100℃，20h)；
步骤S7：在PCBM阴极缓冲层6上蒸镀金属阴极7Ag(100nm)；
步骤S8：在标准测试条件下：AM 1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝1.01V，短路电流(JSC)＝21.32mA/cm2，填充因子(FF)＝0.79，光电转换效率(PCE)＝17.01％。
由上述对比可以看出：通过引入金属纳米棒阵列层4(即实例6制备而成的钙钛矿太阳能电池)，相比于未经处理制备的钙钛矿太阳能电池(即实例1制备而成的钙钛矿太阳能电池)，其JSC和VOC有明显提升。这是由于金属纳米棒阵列层4具备一定强度的近红外吸收，该部分吸收进一步优化太阳能电池器件对光波能量的吸收转换，进而提升了器件JSC，进一步的，由于金属纳米棒阵列层4的插入，器件阳极缓冲层3与钙钛矿光活性层5之间的界面接触特性得到有效提升，进而降低了器件内部能量损耗提高了开路电压。此外，通过对比实例1～5，可以发现，当涡流退火温度为90℃时，器件具有最佳的性能，该结果有效表明通过涡流退火处理，钙钛矿薄膜形成了尺寸更大的晶粒，进而减少了光活性层5表面晶界，降低了器件内部的载流子复合，最终实现了最大化器件性能的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池，其特征在于，从下到上依次为衬底(1)、透明导电阳极ITO(2)、阳极缓冲层(3)、金属纳米棒阵列层(4)、光活性层(5)、PCBM阴极缓冲层(6)和金属阴极(7)；
所述金属纳米棒阵列层(4)采用的材料为金属纳米棒颗粒，直径尺寸范围为5～15nm，长径比范围为1:1.5～1:3.7。
2.根据权利要求1所述的基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池，其特征在于，所述光活性层(5)由钙钛矿MAPbI3溶液制备而成，厚度范围为150～500nm。
3.根据权利要求1所述的基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层(3)采用的材料为PEDOT:PSS，厚度范围为30～60nm。
4.根据权利要求1所述的基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池，其特征在于，所述金属阴极(7)采用的材料为Ag、Al或Au中的一种或多种，薄层厚度范围为100～200nm。
5.根据权利要求1所述的基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池，其特征在于，衬底(1)材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
6.基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：对由透明衬底(1)及透明导电阳极ITO(2)所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤S2：在透明导电阳极ITO(2)表面旋转涂覆、印刷或喷涂阳极缓冲层(3)PEDOT:PSS水分散液，并进行热退火；
步骤S3：利用界面分离法制备随机分布、致密的单原子层金属纳米棒阵列层(4)，并通过转印法将其转印至PEDOT:PSS阳极缓冲层(3)上；
步骤S4：将MAPbI3溶液滴于金属纳米棒阵列层(4)上，并通过旋涂工艺制备光活性层(5)；
步骤S5：将器件转移至通有高频交变电流的导线圈中，利用涡流生热效应对光活性层(5)进行热退火处理；
步骤S6：在光活性层(5)表面旋转涂覆、印刷或喷涂阴极缓冲层PCBM溶液，并进行热退火；
步骤S7：真空度为3*10-4Pa的条件下，在PCBM阴极缓冲层上蒸镀金属阴极(7)。
7.根据权利要求6所述的基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中热退火的温度范围为200～250℃，时间范围为1～2h。
8.根据权利要求6所述的基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的金属纳米棒阵列层(4)的厚度范围为5～45nm。
9.根据权利要求6所述的基于金属纳米棒阵列涡流退火的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中涡流生热效应的维度范围为50～150℃。
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