CN115172591A - 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，制备方法包括步骤：在预处理后的导电玻璃表面依次涂覆致密层和介孔层；将碘甲脒、碘化铅和氯甲胺溶于二甲基亚砜和N,N‑二甲基甲酰胺的混合液中，获得钙钛矿前驱体溶液，将所述钙钛矿前驱体溶液旋涂至介孔层表面，形成钙钛矿层；将苯甲酸镁盐溶于异丙醇中，获得苯甲酸镁溶液，将所述苯甲酸镁溶液旋涂至钙钛矿层表面，形成苯甲酸镁钝化层；在所述苯甲酸镁钝化层表面涂覆空穴传输层，在所述空穴传输层表面沉积电极层，即可获得钙钛矿太阳能电池。本发明以苯甲酸镁溶液制备苯甲酸镁钝化层，有效提升了太阳能电池器件的稳定性和光电性能。

Description

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
光伏领域见证了溶液可加工的混合有机-无机卤化物钙钛矿的迅速崛起，成为高效廉价太阳能的竞争者。在不到十年的时间里，钙钛矿已成为学术和工业光伏研究的主导，钙钛矿太阳能电池(PSC)目前的太阳能-电能转换效率(PCE)>25％，与商用太阳能技术相当。
钙钛矿的研究取得了极大的进展，尤其三维钙钛矿，其PCE已突破25％，但其对水、光和热存在着较差的稳定性，极大的阻碍了其商业化的实现。与硅太阳能电池25年的典型寿命相比，据报道PSC的最长预期寿命仅为10000小时，约为1年。为使钙钛矿实现商业化应用，不仅需要高效率，长期的稳定性也至关重要。
钝化是减少钙钛矿缺陷和抑制离子运动的有效策略。早在20世纪90年代硅太阳能电池产业开始时，像氮化硅、二氧化硅或二氧化钛这样的介质涂层就已经成为表面钝化的通用解决方案。表面钝化在薄膜太阳能电池中也起着至关重要的作用，如碲化镉和CuInxGa(1-x)Se2。与这些薄膜一样，钙钛矿也包含许多固有缺陷和界面缺陷。缺陷使钙钛矿具有活性并易于分解，从而形成非辐射复合，进而影响太阳能电池器件的性能和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，以苯甲酸镁溶液制备苯甲酸镁钝化层，有效提升了太阳能电池器件的稳定性和光电性能。
本发明提供了如下的技术方案：
第一方面，提供一种钙钛矿太阳能电池，包括导电玻璃以及自下而上依次附着于导电玻璃表面的致密层、介孔层、钙钛矿层、苯甲酸镁钝化层、空穴传输层和电极层。
第二方面，提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
在预处理后的导电玻璃表面依次涂覆致密层和介孔层；
将碘甲脒、碘化铅和氯甲胺溶于二甲基亚砜(DMSO)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合液中，获得钙钛矿前驱体溶液，将所述钙钛矿前驱体溶液旋涂至介孔层表面，形成钙钛矿层；
将苯甲酸镁盐溶于异丙醇中，获得苯甲酸镁溶液，将所述苯甲酸镁溶液旋涂至钙钛矿层表面，形成苯甲酸镁钝化层；
在所述苯甲酸镁钝化层表面涂覆空穴传输层，在所述空穴传输层表面沉积电极层，即可获得钙钛矿太阳能电池。
进一步的，所述导电玻璃为FTO导电玻璃，预处理方法为：依次采用去离子水、玻璃清洗剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗，然后在烘箱中烘干，再通过紫外-臭氧装置处理。
进一步的，玻璃清洗剂使用时以去离子水稀释，所使用的去离子水与玻璃清洗剂的体积比为3：1。
进一步的，所述致密层的制备方法为：将二异丙氧基双乙酰丙酮钛加入无水正丁醇中，摇匀溶解后旋涂到导电玻璃上，干燥处理形成致密层。
进一步的，所述二异丙氧基双乙酰丙酮钛与无水正丁醇的体积比为1：14-20。
进一步的，所述介孔层的制备方法为：用二氧化钛浆料和无水乙醇配制成混合溶液，将混合溶液旋涂于致密层表面，退火处理形成介孔层。
进一步的，所述二氧化钛浆料和无水乙醇的体积比为1：6-10。
进一步的，将所述钙钛矿前驱体溶液旋涂至介孔层表面，在旋涂停止前20s滴加乙醚作为反溶剂，旋涂完成后150℃退火5-10min，形成钙钛矿层。钙钛矿前驱体溶液在室温下旋涂后会形成δ相钙钛矿，稳定性差，采用退火处理后可形成α相钙钛矿，有利于提高太阳能电池器件的稳定性和光电性能。
进一步的，所配制的苯甲酸镁溶液的浓度为0.05-0.2mmol/L。
进一步的，将所述苯甲酸镁溶液旋涂至钙钛矿层表面后，置于加热台上退火，退火温度为110℃-150℃，时间为5-15min。退火有助于快速蒸发表面溶剂，有利于结晶，提高钙钛矿太阳能电池稳定性。
进一步的，在所述苯甲酸镁钝化层表面旋涂空穴传输层Spiro-OMeTAD，并用γ-丁内酯(GBL)刮蹭出电极。
进一步的，利用真空蒸镀装置将Au沉积于所述空穴传输层基底上，形成Au电极层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以苯甲酸镁溶液制备苯甲酸镁钝化层，苯甲酸镁盐中的苯环是疏水基团导致所形成的致密结构，对水和氧起到了有效的阻隔作用，加上苯环的π共轭结构，共同促进了电荷传输，因此对太阳能电池器件的稳定性和光电性能有明显提升。
附图说明
图1是本发明实施例1中钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图中标记为：1、FTO导电玻璃，2、致密层，3、介孔层，4、钙钛矿层，5、苯甲酸镁钝化层，6、空穴传输层，7、电极层；
图2是本发明实施例1中制备的钙钛矿太阳能电池器件图；
图3是本发明实施例1、4和5制备的钙钛矿太阳能电池的稳态光致发光光谱；
图4是本发明实施例1、4和5制备的钙钛矿太阳能电池的瞬态光致发光光谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)FTO导电玻璃预处理：将FTO导电玻璃依次采用去离子水、玻璃清洗剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗20min，然后在120℃烘箱中烘干去除表面的水分，再通过紫外-臭氧装置处理20min。其中，玻璃清洗剂使用时以去离子水稀释，所使用的去离子水与玻璃清洗剂的体积比为3：1。
(2)致密层的制备：将二异丙氧基双乙酰丙酮钛加入无水正丁醇中，摇匀溶解后旋涂到导电玻璃上，干燥处理形成致密层。其中，二异丙氧基双乙酰丙酮钛与无水正丁醇的体积比为1：17。
(3)介孔层的制备：用二氧化钛浆料和无水乙醇配制成混合溶液，将混合溶液旋涂于致密层表面，退火处理形成介孔层。其中，二氧化钛浆料和无水乙醇的体积比为1：8。
(4)钙钛矿层的制备：将碘甲脒、碘化铅和氯甲胺溶于DMSO和DMF的混合液中，搅拌12h，获得钙钛矿前驱体溶液，将所述钙钛矿前驱体溶液以3000rpm的速度旋涂至介孔层表面，在旋涂停止前20s滴加乙醚作为反溶剂，旋涂完成后150℃退火10min，形成钙钛矿层。
(5)苯甲酸镁钝化层的制备：将苯甲酸镁盐溶于异丙醇中，获得0.1mmol/L苯甲酸镁溶液，将所述苯甲酸镁溶液以3000rpm的速度旋涂至钙钛矿层表面，然后置于加热台上130℃退火10min，形成苯甲酸镁钝化层。
(6)空穴传输层的制备：在所述苯甲酸镁钝化层表面旋涂空穴传输层Spiro-OMeTAD，并用GBL刮蹭出FTO电极。
(7)电极层的制备：利用真空蒸镀装置将Au沉积于所述空穴传输层基底上，形成Au电极层。
图1为制备的钙钛矿太阳能电池结构图，包括FTO导电玻璃以及自下而上依次附着于FTO导电玻璃表面的致密层、介孔层、钙钛矿层、苯甲酸镁钝化层、空穴传输层和Au电极层。
图2为制备完成的钙钛矿太阳能电池器件。
实施例2
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)FTO导电玻璃预处理：将FTO导电玻璃依次采用去离子水、玻璃清洗剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗20min，然后在120℃烘箱中烘干去除表面的水分，再通过紫外-臭氧装置处理20min。其中，玻璃清洗剂使用时以去离子水稀释，所使用的去离子水与玻璃清洗剂的体积比为3：1。
(2)致密层的制备：将二异丙氧基双乙酰丙酮钛加入无水正丁醇中，摇匀溶解后旋涂到导电玻璃上，干燥处理形成致密层。其中，二异丙氧基双乙酰丙酮钛与无水正丁醇的体积比为1：14。
(3)介孔层的制备：用二氧化钛浆料和无水乙醇配制成混合溶液，将混合溶液旋涂于致密层表面，退火处理形成介孔层。其中，二氧化钛浆料和无水乙醇的体积比为1：6。
(4)钙钛矿层的制备：将碘甲脒、碘化铅和氯甲胺溶于DMSO和DMF的混合液中，搅拌12h，获得钙钛矿前驱体溶液，将所述钙钛矿前驱体溶液以3000rpm的速度旋涂至介孔层表面，在旋涂停止前20s滴加乙醚作为反溶剂，旋涂完成后150℃退火5min，形成钙钛矿层。
(5)苯甲酸镁钝化层的制备：将苯甲酸镁盐溶于异丙醇中，获得0.05mmol/L苯甲酸镁溶液，将所述苯甲酸镁溶液以3000rpm的速度旋涂至钙钛矿层表面，然后置于加热台上110℃退火15min，形成苯甲酸镁钝化层。
(6)空穴传输层的制备：在所述苯甲酸镁钝化层表面旋涂空穴传输层Spiro-OMeTAD，并用GBL刮蹭出FTO电极。
(7)电极层的制备：利用真空蒸镀装置将Au沉积于所述空穴传输层基底上，形成Au电极层。
实施例3
(1)FTO导电玻璃预处理：将FTO导电玻璃依次采用去离子水、玻璃清洗剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗20min，然后在120℃烘箱中烘干去除表面的水分，再通过紫外-臭氧装置处理20min。其中，玻璃清洗剂使用时以去离子水稀释，所使用的去离子水与玻璃清洗剂的体积比为3：1。
(2)致密层的制备：将二异丙氧基双乙酰丙酮钛加入无水正丁醇中，摇匀溶解后旋涂到导电玻璃上，干燥处理形成致密层。其中，二异丙氧基双乙酰丙酮钛与无水正丁醇的体积比为1：20。
(3)介孔层的制备：用二氧化钛浆料和无水乙醇配制成混合溶液，将混合溶液旋涂于致密层表面，退火处理形成介孔层。其中，二氧化钛浆料和无水乙醇的体积比为1：10。
(4)钙钛矿层的制备：将碘甲脒、碘化铅和氯甲胺溶于DMSO和DMF的混合液中，搅拌12h，获得钙钛矿前驱体溶液，将所述钙钛矿前驱体溶液以3000rpm的速度旋涂至介孔层表面，在旋涂停止前20s滴加乙醚作为反溶剂，旋涂完成后150℃退火8min，形成钙钛矿层。
(5)苯甲酸镁钝化层的制备：将苯甲酸镁盐溶于异丙醇中，获得0.2mmol/L苯甲酸镁溶液，将所述苯甲酸镁溶液以3000rpm的速度旋涂至钙钛矿层表面，然后置于加热台上150℃退火5min，形成苯甲酸镁钝化层。
(6)空穴传输层的制备：在所述苯甲酸镁钝化层表面旋涂空穴传输层Spiro-OMeTAD，并用GBL刮蹭出FTO电极。
(7)电极层的制备：利用真空蒸镀装置将Au沉积于所述空穴传输层基底上，形成Au电极层。
实施例4
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，与实施例1的不同之处在于，步骤(5)中制备的苯甲酸镁溶液的浓度为0.05mmol/L。
实施例5
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，与实施例1的不同之处在于，步骤(5)中制备的苯甲酸镁溶液的浓度为0.2mmol/L。
对比例1
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，与实施例1的不同之处在于，步骤(5)中制备的苯甲酸镁溶液的浓度为0.3mmol/L。
对比例2
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，与实施例1的不同之处在于，步骤(5)中的无退火工序。
对比例3
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，与实施例1的不同之处在于，无步骤(5)，即不制备钝化层。
性能表征
采用太阳光模拟器测试实施例1-5和对比例1-3中制备的钙钛矿太阳能电池的性能，如下表1。
表1实施例1-5和对比例1-3中钙钛矿太阳能电池的性能数据
V<sub>oc</sub>(V) J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>) FF(％) PCE(％)
实施例1 1.032 24.92 78.42 20.19
实施例2 1.010 25.00 79.02 19.91
实施例3 1.008 25.68 73.76 19.10
实施例4 1.041 25.22 79.12 20.68
实施例5 1.021 25.42 78.88 20.40
对比例1 1.010 26.54 70.47 18.91
对比例2 0.988 25.85 73.97 18.89
对比例3 0.985 26.06 73.55 18.88
表1中，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子，PCE为光电转换效率。
由表1可以看出实施例1-5中太阳能电池器件各方面性能参数表现优异。而对比例1-3中太阳能电池器件的性能表现较差。
图3为实施例1、4和5制备得到的钙钛矿太阳能电池的稳态光致发光光谱。由图3可以看出经过0.05-0.2mmol/L苯甲酸镁溶液钝化的器件显示出很好的PL荧光强度，说明经钝化后载流子数量变多了，从而导致器件性能的增强。此外，苯甲酸镁溶液的浓度上升至0.2mmol/L时器件已经开始显示出PL荧光强度的下降。
图4为实施例1、4和5制备得到的钙钛矿太阳能电池的瞬态光致发光光谱。由图4可以看出经过0.05-0.2mmol/L苯甲酸镁溶液钝化的器件具有较长的载流子寿命，有利于载流子的传输，因此提高了器件的性能。实施例2和3也表现出相似性能，此处不再一一赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括导电玻璃以及自下而上依次附着于导电玻璃表面的致密层、介孔层、钙钛矿层、苯甲酸镁钝化层、空穴传输层和电极层。
2.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在预处理后的导电玻璃表面依次涂覆致密层和介孔层；
将碘甲脒、碘化铅和氯甲胺溶于二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺的混合液中，获得钙钛矿前驱体溶液，将所述钙钛矿前驱体溶液旋涂至介孔层表面，形成钙钛矿层；
将苯甲酸镁盐溶于异丙醇中，获得苯甲酸镁溶液，将所述苯甲酸镁溶液旋涂至钙钛矿层表面，形成苯甲酸镁钝化层；
在所述苯甲酸镁钝化层表面涂覆空穴传输层，在所述空穴传输层表面沉积电极层，即可获得钙钛矿太阳能电池。
3.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述导电玻璃为FTO导电玻璃，预处理方法为：依次采用去离子水、玻璃清洗剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗，然后在烘箱中烘干，再通过紫外-臭氧装置处理。
4.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述致密层的制备方法为：将二异丙氧基双乙酰丙酮钛加入无水正丁醇中，摇匀溶解后旋涂到导电玻璃上，干燥处理形成致密层；所述二异丙氧基双乙酰丙酮钛与无水正丁醇的体积比为1：14-20。
5.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述介孔层的制备方法为：用二氧化钛浆料和无水乙醇配制成混合溶液，将混合溶液旋涂于致密层表面，退火处理形成介孔层；所述二氧化钛浆料和无水乙醇的体积比为1：6-10。
6.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，将所述钙钛矿前驱体溶液旋涂至介孔层表面，在旋涂停止前20s滴加乙醚作为反溶剂，旋涂完成后150℃退火10min，形成钙钛矿层。
7.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所配制的苯甲酸镁溶液的浓度为0.05-0.2mmol/L。
8.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，将所述苯甲酸镁溶液旋涂至钙钛矿层表面后，置于加热台上退火，退火温度为110℃-150℃，时间为5-15min。
9.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，在所述苯甲酸镁钝化层表面旋涂空穴传输层Spiro-OMeTAD，并用γ-丁内酯刮蹭出电极。
10.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，利用真空蒸镀装置将Au沉积于所述空穴传输层基底上，形成Au电极层。
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