CN114203920A - 一种无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，涉及钙钛矿太阳电池技术领域。本发明提出在无机钙钛矿薄膜表面旋涂碘化镍异丙醇溶液，旋涂后的钙钛矿薄膜无需进一步退火。一方面，碘化镍中的碘可以填补无机钙钛矿中的碘空位，能够有效降低碘空位引起的深能级缺陷，降低界面处的非辐射复合，提高无机钙钛矿太阳电池效率。另一方面，基于这种方法钝化无机钙钛矿薄膜表面缺陷，需要的碘化镍的浓度仅为0.225mg/mL，达到相同钝化效果远远低于其他有机材料所需要的浓度。

Description

一种无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法
技术领域
本发明属于钙钛矿太阳电池技术领域，尤其涉及一种无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法。
背景技术
在过去的十年里，钙钛矿材料由于其优异的光电性能取得了快速的发展，光电转换效率从3.8％增加到25.5％。最高效率的器件都是基于有机无机杂化钙钛矿，然而由于甲胺和甲脒离子的存在，使得其无法在高温下工作。
无机钙钛矿由于没有有机组分，在热稳定性方面有先天优势，且由于带隙大于1.68eV，是晶硅叠层太阳电池理想的顶电池材料。在过去的6年时间里，无机钙钛矿获得了快速的发展，效率增加到20.8％。但效率依然落后于相同带隙的有机无机杂化钙钛矿太阳电池，表面和晶界处的缺陷是影响其效率的主要因素。因为溶液法制备的多晶无机钙钛矿薄膜容易形成碘空位，深能级缺陷导致的非辐射复合是影响其效率和稳定性的主要因素。因此，改善无机钙钛矿薄膜表面和晶界处的缺陷态密度非常重要。
目前高效率钙钛矿太阳电池通常需要在钙钛矿表面进行表面钝化处理，而表面钝化材料目前主要是基于有机物，如苯乙胺碘等，有机物本身固有的热不稳定性导致器件在使役条件下的稳定性面临极大挑战。
综上所述，可归纳出现有的基于有机物的表面钝化材料的钙钛矿太阳电池的不足：1)有机物钝化材料本身固有的热不稳定性因素不利于钙钛矿太阳电池的长期稳定性。2)有机物钝化材料通常需要较高的浓度才可以达到较好的钝化效果，过量的有机盐容易影响载流子的有效传输，对器件性能造成不利影响。
发明内容
本发明目的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法。
为实现本发明的目的，我们提出采用低浓度碘化镍溶液旋涂于无机钙钛矿薄膜表面，用于表面钝化缺陷的方法，可以优化界面、抑制非辐射复合，从而显著提高无机钙钛矿电池的开路电压和填充因子。
本发明技术方案
一种无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，该方法是在无机钙钛矿太阳电池的无机钙钛矿薄膜制备并退火完成后，采用旋涂溶液的方法，用浓度小于0.3mg/mL的碘化镍异丙醇溶液对无机钙钛矿薄膜进行钝化处理。钝化处理的旋涂速度为3000-5000r/min，时间20-60s，厚度为1-10nm。
钝化后的无机钙钛矿太阳电池的结构自下而上依次包括：玻璃/ITO衬底、二氧化锡电子传输层、无机钙钛矿光吸收层、碘化镍钝化层、空穴传输层和金属电极。
所述的玻璃/ITO衬底为透明导电玻璃。
所述的二氧化锡电子传输层通过旋涂-退火工艺制备，所述的退火过程在150℃进行，厚度在20-50nm。
所述的钙钛矿光吸收层材料是CsPbI3-xBrx(0≤x≤1)，通过溶液法旋涂工艺制备，所述的旋涂后的无机钙钛矿薄膜在180℃退火，厚度在200-400nm。
所述的空穴传输层的材料是Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)，通过旋涂法工艺制备，厚度在100-200nm。
所述的金属电极材料是金，通过热蒸发的工艺制备，厚度在60-100nm。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明提出的一种无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，通过溶液旋涂的方法，能够有效改善无机钙钛矿薄膜表面和晶界处的缺陷，降低非辐射复合。
2、同时，一种无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，通过优化碘化镍溶液的浓度和旋涂转速，获得了非常高效光电转换效率的无机钙钛矿太阳电池。
附图说明
图1是本发明提出的具体实施例1无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的结构示意图；
图中，10为玻璃/ITO衬底，20为SnO2电子传输层薄膜，30为无机钙钛矿薄膜，40为碘化镍钝化层，50为空穴传输层，60为金属金电极；
图2是本发明提出的具体实施例1无机钙钛矿太阳电池的I-V特征曲线；
图3是本发明提出的具体实施例2无机钙钛矿太阳电池的I-V特征曲线
图4是本发明提出的具体实施例3无机钙钛矿太阳电池的I-V特征曲线
图5是本发明提出的具体实施例4无机钙钛矿太阳电池的I-V特征曲线；
图6是本发明提出的具体实施例5无机钙钛矿太阳电池的I-V特征曲线；
图7是本发明提出的具体实施例6无机钙钛矿太阳电池的I-V特征曲线；
图8是本发明提出的具体实施例7无机钙钛矿太阳电池的I-V特征曲线；
图9是本发明提出的无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的制备方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1：
本发明提供一种无机材料钝化提升无机钙钛矿太阳电池的方法，在退完火后的无机钙钛矿薄膜表面旋涂上低浓度碘化镍的异丙醇溶液，有效钝化无机钙钛矿薄膜的表面缺陷，改善无机钙钛矿薄膜的质量，以提高无机钙钛矿太阳电池的光电转换效率。
步骤1；用洗涤剂、丙酮和异丙醇依次清洗玻璃/ITO衬底10各10分钟备用，其中ITO层的方块电阻为7-15欧姆。
步骤2：将清洗干净的玻璃/ITO衬底用氮气吹干，UV处理10分钟，然后在ITO/玻璃衬底上旋涂SnO2纳米颗粒溶液，通过控制旋涂速度调节SnO2电子传输层薄膜20的厚度为30nm，随后放置于150℃的热板上退火30分钟，退火后同样UV处理10分钟备用，此过程在空气中进行。
步骤3：使用一步法在氮气手套箱里旋涂0.6M的CsPbI3-xBrx钙钛矿溶液，溶剂为DMF：DMSO(4:1)的混合溶液，旋涂速度为2500r/min时间60s，然后放置于180℃热板上退火10分钟，无机钙钛矿薄膜30厚度约为300nm。
步骤4：采用旋涂溶液的方法，在钙钛矿薄膜上旋涂碘化镍钝化层40，碘化镍溶于异丙醇里，浓度为0.15mg/mL，旋涂速度为3000r/min，时间30s，厚度约为2nm。
步骤5：采用旋涂溶液的方法，在碘化镍钝化层上旋涂空穴传输层50Spiro-OMeTAD溶液，Spiro-OMeTAD溶于氯苯里，浓度为72.3mg/mL，旋涂速度为3000r/min时间30s，其厚度约为150nm，然后放置于氧气手套箱里氧化两个小时左右。
步骤6：将氧化后的器件取出，采用热蒸发沉积的方法，在空穴传输层上蒸发金属金电极60，厚度约为80nm(太阳电池制备流程如图9中所示)。
实验效果：钙钛矿太阳电池结构如图1中所示，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，本实施例制备的太阳电池的开路电压1.33V，短路电流密度17.84mA/cm2，填充因子79.83％，效率为19.06％(图2)。
实施例2：
本发明提供一种无机材料钝化提升无机钙钛矿太阳电池的方法，在退完火后的无机钙钛矿薄膜表面旋涂上低浓度碘化镍的异丙醇溶液，有效钝化无机钙钛矿薄膜的表面缺陷，改善无机钙钛矿薄膜的质量，以提高无机钙钛矿太阳电池的光电转换效率。
步骤1；用洗涤剂、丙酮和异丙醇依次清洗玻璃/ITO衬底10各10分钟备用，其中ITO层的方块电阻为7-15欧姆。
步骤2：将清洗干净的玻璃/ITO衬底用氮气吹干，UV处理10分钟，然后在ITO/玻璃衬底上旋涂SnO2纳米颗粒溶液，通过控制旋涂速度调节SnO2电子传输层薄膜20的厚度为30nm，随后放置于150℃的热板上退火30分钟，退火后同样UV处理10分钟备用，此过程在空气中进行。
步骤3：使用一步法在氮气手套箱里旋涂0.6M的CsPbI3-xBrx钙钛矿溶液，溶剂为DMF：DMSO(4:1)的混合溶液，旋涂速度为2500r/min时间60s，然后放置于180℃热板上退火10分钟，无机钙钛矿薄膜30厚度约为300nm。
步骤4：采用旋涂溶液的方法，在钙钛矿薄膜上旋涂碘化镍钝化层40，碘化镍溶于异丙醇里，浓度为0.225mg/mL，旋涂速度为3000r/min，时间30s，厚度约为2nm。
步骤5：采用旋涂溶液的方法，在碘化镍钝化层上旋涂空穴传输层50Spiro-OMeTAD溶液，Spiro-OMeTAD溶于氯苯里，浓度为72.3mg/mL，旋涂速度为3000r/min时间30s，其厚度约为150nm，然后放置于氧气手套箱里氧化两个小时左右。
步骤6：将氧化后的器件取出，采用热蒸发沉积的方法，在空穴传输层上蒸发金属金电极60，厚度约为80nm。实验效果：钙钛矿太阳电池结构如图1中所示，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，本实施例制备的太阳电池的开路电压1.36V，短路电流密度17.88mA/cm2，填充因子80.54％，效率为19.53％(图3)。
实施例3：
本发明提供一种无机材料钝化提升无机钙钛矿太阳电池的方法，在退完火后的无机钙钛矿薄膜表面旋涂上低浓度碘化镍的异丙醇溶液，有效钝化无机钙钛矿薄膜的表面缺陷，改善无机钙钛矿薄膜的质量，以提高无机钙钛矿太阳电池的光电转换效率。
步骤1；用洗涤剂、丙酮和异丙醇依次清洗玻璃/ITO衬底10各10分钟备用，其中ITO层的方块电阻为7-15欧姆。
步骤2：将清洗干净的玻璃/ITO衬底用氮气吹干，UV处理10分钟，然后在ITO/玻璃衬底上旋涂SnO2纳米颗粒溶液，通过控制旋涂速度调节SnO2电子传输层薄膜20的厚度为30nm，随后放置于150℃的热板上退火30分钟，退火后同样UV处理10分钟备用，此过程在空气中进行。
步骤3：使用一步法在氮气手套箱里旋涂0.6M的CsPbI3-xBrx钙钛矿溶液，溶剂为DMF：DMSO(4:1)的混合溶液，旋涂速度为2500r/min时间60s，然后放置于180℃热板上退火10分钟，无机钙钛矿薄膜30厚度约为300nm。
步骤4：采用旋涂溶液的方法，在钙钛矿薄膜上旋涂碘化镍钝化层40，碘化镍溶于异丙醇里，浓度为0.225mg/mL，旋涂速度为5000r/min，时间30s。
步骤5：采用旋涂溶液的方法，在碘化镍钝化层上旋涂空穴传输层50Spiro-OMeTAD溶液，Spiro-OMeTAD溶于氯苯里，浓度为72.3mg/mL，旋涂速度为3000r/min时间30s，其厚度约为150nm，然后放置于氧气手套箱里氧化两个小时左右。
步骤6：将氧化后的器件取出，采用热蒸发沉积的方法，在空穴传输层上蒸发金属金电极60，厚度约为80nm。实验效果：钙钛矿太阳电池结构如图1中所示，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，本实施例制备的太阳电池的开路电压1.30V，短路电流密度17.95mA/cm2，填充因子80.90％，效率为18.85％(图4)。
实施例4：
本发明提供一种无机材料钝化提升无机钙钛矿太阳电池的方法，在退完火后的无机钙钛矿薄膜表面旋涂上低浓度碘化镍的异丙醇溶液，有效钝化无机钙钛矿薄膜的表面缺陷，改善无机钙钛矿薄膜的质量，以提高无机钙钛矿太阳电池的光电转换效率。
步骤1；用洗涤剂、丙酮和异丙醇依次清洗玻璃/ITO衬底10各10分钟备用，其中ITO层的方块电阻为7-15欧姆。
步骤2：将清洗干净的玻璃/ITO衬底用氮气吹干，UV处理10分钟，然后在ITO/玻璃衬底上旋涂SnO2纳米颗粒溶液，通过控制旋涂速度调节SnO2电子传输层薄膜20的厚度为30nm，随后放置于150℃的热板上退火30分钟，退火后同样UV处理10分钟备用，此过程在空气中进行。
步骤3：使用一步法在氮气手套箱里旋涂0.6M的CsPbI3-xBrx钙钛矿溶液，溶剂为DMF：DMSO(4:1)的混合溶液，旋涂速度为2500r/min时间60s，然后放置于180℃热板上退火10分钟，无机钙钛矿薄膜30厚度约为300nm。
步骤4：采用旋涂溶液的方法，在钙钛矿薄膜上旋涂碘化镍钝化层40，碘化镍溶于异丙醇里，浓度为0.225mg/mL，旋涂速度为3000r/min，时间60s。
步骤5：采用旋涂溶液的方法，在碘化镍钝化层上旋涂空穴传输层50Spiro-OMeTAD溶液，Spiro-OMeTAD溶于氯苯里，浓度为72.3mg/mL，旋涂速度为3000r/min时间30s，其厚度约为150nm，然后放置于氧气手套箱里氧化两个小时左右。
步骤6：将氧化后的器件取出，采用热蒸发沉积的方法，在空穴传输层上蒸发金属金电极60，厚度约为80nm。实验效果：钙钛矿太阳电池结构如图1中所示，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，本实施例制备的太阳电池的开路电压1.31V，短路电流密度17.91mA/cm2，填充因子81.61％，效率为19.07％(图5)。
实施例5：
本发明提供一种无机材料钝化提升无机钙钛矿太阳电池的方法，在退完火后的无机钙钛矿薄膜表面旋涂上低浓度碘化镍的异丙醇溶液，有效钝化无机钙钛矿薄膜的表面缺陷，改善无机钙钛矿薄膜的质量，以提高无机钙钛矿太阳电池的光电转换效率。
步骤1；用洗涤剂、丙酮和异丙醇依次清洗玻璃/ITO衬底10各10分钟备用，其中ITO层的方块电阻为7-15欧姆。
步骤2：将清洗干净的玻璃/ITO衬底用氮气吹干，UV处理10分钟，然后在ITO/玻璃衬底上旋涂SnO2纳米颗粒溶液，通过控制旋涂速度调节SnO2电子传输层薄膜20的厚度为30nm，随后放置于150℃的热板上退火30分钟，退火后同样UV处理10分钟备用，此过程在空气中进行。
步骤3：使用一步法在氮气手套箱里旋涂0.6M的CsPbI3-xBrx钙钛矿溶液，溶剂为DMF：DMSO(4:1)的混合溶液，旋涂速度为2500r/min时间60s，然后放置于180℃热板上退火10分钟，无机钙钛矿薄膜30厚度约为300nm。
步骤4：采用旋涂溶液的方法，在钙钛矿薄膜上旋涂碘化镍钝化层40，碘化镍溶于异丙醇里，浓度为0.30mg/mL，旋涂速度为3000r/min，时间30s，厚度约为2nm。
步骤5：采用旋涂溶液的方法，在碘化镍钝化层上旋涂空穴传输层50Spiro-OMeTAD溶液，Spiro-OMeTAD溶于氯苯里，浓度为72.3mg/mL，旋涂速度为3000r/min时间30s，其厚度约为150nm，然后放置于氧气手套箱里氧化两个小时左右。
步骤6：将氧化后的器件取出，采用热蒸发沉积的方法，在空穴传输层上蒸发金属金电极60，厚度约为80nm。实验效果：钙钛矿太阳电池结构如图1中所示，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，本实施例制备的太阳电池的开路电压1.34V，短路电流密度17.73mA/cm2，填充因子79.02％，效率为18.82％(图6)。
实施例6(对比实施例)：
无钝化CsPbI3-xBrx(0≤x≤1)钙钛矿太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤1；用洗涤剂、丙酮和异丙醇依次清洗玻璃/ITO衬底10各10分钟备用，其中ITO层的方块电阻为7-15欧姆。
步骤2：将清洗干净的玻璃/ITO衬底用氮气吹干，UV处理10分钟，然后在ITO/玻璃衬底上旋涂SnO2纳米颗粒溶液，通过控制旋涂速度调节SnO2电子传输层薄膜20的厚度为30nm，随后放置于150℃的热板上退火30分钟，退火后同样UV处理10分钟备用，此过程在空气中进行。
步骤3：使用一步法在氮气手套箱里旋涂0.6M的CsPbI3-xBrx钙钛矿溶液，溶剂为DMF：DMSO(4:1)的混合溶液，旋涂速度为2500r/min时间60s，然后放置于180℃热板上退火10分钟，无机钙钛矿薄膜30厚度约为300nm。
步骤4：采用旋涂溶液的方法，在无机钙钛矿薄膜上旋涂空穴传输层50Spiro-OMeTAD溶液，Spiro-OMeTAD溶于氯苯里，浓度为72.3mg/mL，旋涂速度为3000r/min时间30s，其厚度约为150nm，然后放置于氧气手套箱里氧化两个小时左右。
步骤5：将氧化后的器件取出，采用热蒸发沉积的方法，在空穴传输层上蒸发金属金电极60，厚度约为80nm。实验效果：钙钛矿太阳电池结构如图1中所示，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，本实施例制备的太阳电池的开路电压1.27V，短路电流密度17.70mA/cm2，填充因子77.95％，效率为17.49％(图7)。
实施例7(对比实施例)：
一种辛基碘化铵钝化无机钙钛矿的制备方法及其在无机太阳电池中的应用，包括以下步骤：
步骤1；用洗涤剂、丙酮和异丙醇依次清洗玻璃/ITO衬底10各10分钟备用，其中ITO层的方块电阻为7-15欧姆。
步骤2：将清洗干净的玻璃/ITO衬底用氮气吹干，UV处理10分钟，然后在ITO/玻璃衬底上旋涂SnO2纳米颗粒溶液，通过控制旋涂速度调节SnO2电子传输层薄膜20的厚度为30nm，随后放置于150℃的热板上退火30分钟，退火后同样UV处理10分钟备用，此过程在空气中进行。
步骤3：使用一步法在氮气手套箱里旋涂0.6M的CsPbI3-xBrx钙钛矿溶液，溶剂为DMF：DMSO(4:1)的混合溶液，旋涂速度为2500r/min时间60s，然后放置于180℃热板上退火10分钟，无机钙钛矿薄膜30厚度约为300nm。
步骤4：采用旋涂溶液的方法，在钙钛矿薄膜上旋辛基碘化铵钝化层，辛基碘化铵溶于异丙醇里，浓度为5mg/mL旋涂速度为3000r/min时间30s。
步骤5：采用旋涂溶液的方法，在辛基碘化铵钝化层上旋涂空穴传输层50Spiro-OMeTAD溶液，Spiro-OMeTAD溶于氯苯里，浓度为72.3mg/mL，旋涂速度为3000r/min时间30s，其厚度约为150nm，然后放置于氧气手套箱里氧化两个小时左右。
步骤6：将氧化后的器件取出，采用热蒸发沉积的方法，在空穴传输层上蒸发金属金电极60，厚度约为80nm。
实验效果：钙钛矿太阳电池结构如图1中所示，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，本实施例制备的太阳电池的开路电压1.29V，短路电流密度18.16mA/cm2，填充因子80.03％，效率为18.78％(图8)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，所述钝化方法是，在无机钙钛矿太阳能电池的无机钙钛矿薄膜制备并退火完成后，采用旋涂溶液的方法，用浓度小于0.3mg/mL的碘化镍异丙醇溶液对无机钙钛矿薄膜进行钝化处理。
2.根据权利要求1所述的无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，钝化处理的旋涂速度为3000-5000r/min，时间20-60s。
3.根据权利要求1或2所述的无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，钝化后的无机钙钛矿太阳能电池的结构自下而上依次包括：玻璃/ITO衬底、二氧化锡电子传输层、无机钙钛矿光吸收层、碘化镍钝化层、空穴传输层和金属电极。
4.根据权利要求3所述的无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，所述的玻璃/ITO衬底为透明导电玻璃。
5.根据权利要求3所述的无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，所述的二氧化锡电子传输层通过旋涂-退火工艺制备，所述的退火过程在150℃进行，厚度在20-50nm。
6.根据权利要求3所述的无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，所述的钙钛矿光吸收层材料是CsPbI3-xBrx，其中0≤x≤1，通过溶液法旋涂工艺制备，所述的旋涂后的无机钙钛矿薄膜在180℃退火，厚度在200-400nm。
7.根据权利要求3所述的无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，所述的空穴传输层的材料是Spiro-OMeTAD，通过旋涂法工艺制备，厚度在100-200nm。
8.根据权利要求3所述的无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，所述的金属电极材料是金，通过热蒸发的工艺制备，厚度在60-100nm。
CN202111514495.6A 2021-12-13 2021-12-13 一种无机材料钝化无机钙钛矿太阳电池的方法 Pending CN114203920A (zh)

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