CN115425148A - 一种钙钛矿太阳能电池及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于钙钛矿太阳能电池技术领域，提供了一种钙钛矿太阳能电池及制备方法，钙钛矿太阳能电池包括从下至上依次设置的透明导电基底、电子传输层、钙钛矿吸收层、二维钙钛矿修饰层、空穴传输层及电极，空穴传输层部分嵌入二维钙钛矿修饰层内并与钙钛矿吸收层形成接触。本发明提供的钙钛矿太阳能电池利用二维钙钛矿对钙钛矿吸收层进行表面修饰，既能够钝化钙钛矿吸收层表面缺陷，减少缺陷态密度，提升钙钛矿吸收层的质量以提高电池效率，又能阻挡钙钛矿吸收层表面卤素离子的迁移并阻隔水分的侵蚀，提升了材料的稳定性；而且，空穴传输层与钙钛矿吸收层直接接触，避免了二维钙钛矿修饰层对空穴传输的抑制作用，进一步提升了电池效率。

Description

一种钙钛矿太阳能电池及制备方法

技术领域

本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池及制备方法。

背景技术

钙钛矿太阳能电池由于其具有可调的带隙、高的光吸收系数、长的载流子寿命及扩散长度、较高的缺陷容忍度、低成本的低温液相制备方法等优异的光电特性而受到广泛的关注，被认为是下一代新型光伏材料的有力竞争者。

现有技术中，钙钛矿太阳能电池的钙钛矿吸收层虽然采用低能耗低成本的低温液相制备方法，但其在制备过程中也会引入大量表面缺陷，这些表面缺陷会导致严重的非平衡载流子复合，形成非辐射复合中心，从而影响钙钛矿电池的效率，且钙钛矿吸收层的卤素离子的迁移及钙钛矿吸收层水分的侵蚀，导致钙钛矿太阳能电池稳定性差。

发明内容

本发明提供一种钙钛矿太阳能电池，旨在解决现有技术的钙钛矿太阳能电池存在电池效率低、稳定性差的问题。

本发明是这样实现的，提供一种钙钛矿太阳能电池，包括从下至上依次设置的透明导电基底、电子传输层、钙钛矿吸收层、二维钙钛矿修饰层、空穴传输层及电极，所述空穴传输层部分嵌入所述二维钙钛矿修饰层内并与所述钙钛矿吸收层形成接触。

优选的，所述二维钙钛矿修饰层的材料为二维钙钛矿，所述二维钙钛矿的通式为A’₂A_n-1Pb_nI_3n-1，A’和A分别为氨基阳离子与醚基阳离子中的一种，且A’与A互不相同。

优选的，所述空穴传输层靠近所述二维钙钛矿修饰层的表面设有均匀分布的多个导通部，多个所述导通部嵌入所述二维钙钛矿修饰层内并与所述钙钛矿吸收层形成接触。

优选的，所述透明导电基底包括透明玻璃基底、及设于所述透明玻璃基底上的透明导电薄膜，所述电子传输层设置于所述透明导电薄膜之上。

本发明还提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

在透明导电基底上制备电子传输层；

在所述电子传输层上制备钙钛矿吸收层；

采用掩模版在所述钙钛矿吸收层上沉积二维钙钛矿修饰层，并取出所述掩模版；

在所述二维钙钛矿修饰层上沉积空穴传输层；

在所述空穴传输层上沉积电极。

优选的，所述在透明导电基底上制备电子传输层步骤之前还包括：

清洗透明导电基底：采用无尘纸蘸乙醇擦拭透明导电基底表面，再将透明导电基底经清洁剂、去离子水、丙酮、乙醇依次超声清洗15-20分钟，将所述透明导电基底进烘箱干燥，并通O₃UV处理10-20分钟，完成透明导电基底清洗。

优选的，所述电子传输层的材料为SnO₂纳米颗粒；所述在透明导电基底上制备电子传输层的步骤包括：

将SnO₂纳米颗粒与去离子水以1:5的体积比溶解配置成SnO₂前驱体溶液，将所述SnO₂前驱体溶液涂布在所述透明导电基底上，并退火后制得厚度为50～80nm的电子传输层。

优选的，所述二维钙钛矿修饰层的材料为二维钙钛矿BA₂MAPb₂I₇，BA为正丁胺阳离子，MA为甲胺阳离子。

优选的，所述采用掩模版在所述钙钛矿吸收层上沉积二维钙钛矿修饰层，并取出所述掩模版的步骤包括：

在所述钙钛矿吸收层上放置掩模版，将放置有所述掩模版的电池片放入真空镀膜机中，在4×10^-4～6×10^-4Pa的压强下，以

的速度沉积厚度为

的PbI₂；

将沉积所述PbI₂的电池片移入低温烘箱中，将丁胺与甲胺粉末以2:1的比例混合熏蒸，得到由二维钙钛矿BA₂MAPb₂I₇形成的二维钙钛矿修饰层，并将所述掩模版移除。

优选的，所述掩模版为Mask金属掩模版，且所述掩模版的目数为200～1000目。

本发明提供的一种钙钛矿太阳能电池通过在钙钛矿吸收层与空穴传输层之间设置二维钙钛矿修饰层，利用二维钙钛矿对钙钛矿吸收层进行表面修饰，既能够钝化钙钛矿吸收层表面缺陷，减少缺陷态密度，提升钙钛矿吸收层质量以提高电池效率，又能阻挡钙钛矿吸收层表面卤素离子的迁移并阻隔水分的侵蚀，提升了材料的稳定性；而且，空穴传输层部分嵌入二维钙钛矿中并与钙钛矿吸收层接触，保证空穴传输层与钙钛矿吸收层的直接接触，避免了二维钙钛矿修饰层对空穴传输的抑制作用，进一步提升了电池效率。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种钙钛矿太阳能电池的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种钙钛矿太阳能电池制备方法的流程图；

图3为本发明实施例二提供的一种钙钛矿太阳能电池制备方法采用的掩模版的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的一种钙钛矿太阳能电池，通过在钙钛矿吸收层与空穴传输层之间设置二维钙钛矿修饰层，利用二维钙钛矿对钙钛矿吸收层进行表面修饰，既能够钝化钙钛矿吸收层表面缺陷，减少缺陷态密度，提升钙钛矿吸收层质量以提高电池效率，又能阻挡钙钛矿吸收层表面卤素离子的迁移并阻隔水分的侵蚀，提升了材料的稳定性；而且，空穴传输层部分嵌入二维钙钛矿中并与钙钛矿吸收层接触，保证空穴传输层与钙钛矿吸收层的直接接触，避免了二维钙钛矿修饰层对空穴传输的抑制作用，进一步提升了电池效率。

实施例一

请参照图1，本发明实施例提供一种钙钛矿太阳能电池，包括从下至上依次设置的透明导电基底10、电子传输层3、钙钛矿吸收层4、二维钙钛矿修饰层5、空穴传输层6及电极7，空穴传输层6部分嵌入二维钙钛矿修饰层5内并与钙钛矿吸收层4形成接触。

作为本发明的一个实施例，透明导电基底10包括从下到上依次设置的透明玻璃基底1及透明导电薄膜2，电子传输层3设置于透明导电薄膜2之上。其中，透明玻璃基底1用于透过太阳光，透明导电薄膜2用于透光及导电。

作为本发明的一个实施例，透明导电薄膜2的构成材料为ITO锡掺氧化铟、FTO掺氟氧化锡、IWO钨掺氧化铟、ICO铈掺氧化铟中的一种。透明导电薄膜2的构成材料可以根据实际需要进行灵活选取。

作为本发明的一个实施例，电子传输层3的构成材料为PCBM、TiO₂、ZnO、SnO₂、H-PDI、F-PDI中的至少一种。

作为本发明的一个实施例，钙钛矿吸收层4的构成材料为有机无机杂化钙钛矿，其通式为ABX₃；其中，A为CH₃NH₃ ⁺(MA⁺)、CH(CH₂)₂+(FA⁺)、Cs⁺中的至少一种，B为Pb²⁺、Sn²⁺、Ge²⁺中的一种，X为Cl^-、Br^-、I^-中的至少一种。

作为本发明的一个实施例，二维钙钛矿修饰层5的材料为二维钙钛矿，二维钙钛矿的通式为A’₂A_n-1Pb_nI_3n-1，A’和A分别为氨基阳离子与醚基阳离子中的一种，且A’与A互不相同。

其中，氨基阳离子具体可以是正丁胺阳离子(BA)或甲胺阳离子(MA)，醚基阳离子具体可以是甲醚阳离子(FA)，具体可以根据实际灵活设置。A’₂A_n-1Pb_nI_3n-1中的A’和A可以同时为氨基阳离子，且A’和A互不相同；例如，A’和A分别对应为正丁胺阳离子(BA)和甲胺阳离子(MA)；A’和A分别也可以是一者为氨基阳离子，另一者醚基阳离子；例如，A’为甲胺阳离子(MA)，A为甲醚阳离子(FA)。

本发明实施例的钙钛矿太阳能电池通过在钙钛矿吸收层4与空穴传输层6之间设置二维钙钛矿修饰层5，利用二维钙钛矿对钙钛矿吸收层4进行表面修饰，既能够钝化钙钛矿吸收层4表面缺陷，减少缺陷态密度，提升钙钛矿吸收层4质量以提高电池效率，又能阻挡钙钛矿吸收层4表面卤素离子的迁移并阻隔水分的侵蚀，提升了材料的稳定性；而且，相比仅仅在钙钛矿吸收层4与空穴传输层6之间设置二维钙钛矿修饰层5的方案，空穴传输层6部分嵌入二维钙钛矿中，形成空穴传输层6与钙钛矿吸收层4相互嵌合的结构，实现空穴传输层6与钙钛矿吸收层4的直接接触，避免了二维钙钛矿修饰层5对空穴传输的抑制作用，进一步提升了电池效率。

作为本发明的一个实施例，空穴传输层6靠近二维钙钛矿修饰层5的表面设有均匀分布的多个导通部61，多个导通部61嵌入二维钙钛矿修饰层5内并与钙钛矿吸收层4形成接触。

本实施例中，导通部61的数量不限。二维钙钛矿修饰层5设有与多个导通部61对应的孔隙，空穴传输层6的多个导通部61嵌入二维钙钛矿修饰层5的孔隙内与钙钛矿吸收层4形成接触，保证空穴传输层6与钙钛矿吸收层4的直接接触，避免了二维钙钛矿对空穴传输的抑制作用，提升了电池效率。

本实施例中，二维钙钛矿修饰层5上的孔隙呈网格设置。可以采用掩模版在钙钛矿吸收层4上沉积二维钙钛矿修饰层5，取出掩模版后，即可得到具有呈网格设置的孔隙，使得二维钙钛矿修饰层5呈网格阵列设置。在二维钙钛矿修饰层5上沉积空穴传输层6时，部分空穴传输层6的材料可以沉积到二维钙钛矿修饰层5的孔隙内，形成二维钙钛矿修饰层5与空穴传输层6相嵌合的结构，可以提升电池的稳定性；而且，可以实现空穴传输层6与钙钛矿吸收层4的直接接触。

本发明实施例提供的一种钙钛矿太阳能电池通过在钙钛矿吸收层4与空穴传输层6之间设置二维钙钛矿修饰层5，利用二维钙钛矿对钙钛矿吸收层4进行表面修饰，既能够钝化钙钛矿表面缺陷，减少缺陷态密度，提升钙钛矿薄膜质量提高电池效率，又能阻挡钙钛矿吸收层4表面卤素离子的迁移并阻隔水分的侵蚀，提升了钙钛矿吸收层4的稳定性；而且，采用空穴传输层6嵌入二维钙钛矿修饰层5的结构，保证空穴传输层6与钙钛矿吸收层4直接接触，避免了二维钙钛矿对空穴传输的抑制作用，进一步提升了电池效率。

实施例二

请参照图2，本实施例还提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，用于制备上述的钙钛矿太阳能电池，包括以下步骤：

步骤S10，在透明导电基底10上制备电子传输层3；

作为本发明的一个实施例，电子传输层3的材料为SnO₂纳米颗粒；步骤S10具体包括：

将SnO₂纳米颗粒与去离子水以1:5的体积比溶解配置成SnO₂前驱体溶液，将SnO₂前驱体溶液涂布在透明导电基底上，并退火后制得厚度为50～80nm的电子传输层3。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S10中，退火温度为145～155℃。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S10之前还包括：

清洗透明导电基底10：采用无尘纸蘸乙醇擦拭透明导电基底10表面，再将透明导电基底10经清洁剂、去离子水、丙酮、乙醇依次超声清洗15-20分钟，将透明导电基底10进烘箱干燥，并通O₃UV处理10-20分钟，完成透明导电基底10清洗。

本实施例中，通过对清洗透明导电基底10进行清洗，确保透明导电基底10良好的导电效果，有利于提升电池效率。

作为本发明的一个实施例，透明导电基底10包括从下到上依次设置的透明玻璃基底1及透明导电薄膜2；步骤S10具体包括：在所述透明导电薄膜2上制备电子传输层3。

步骤S20，在电子传输层3上制备钙钛矿吸收层4；

作为本发明的一个实施例，钙钛矿吸收层4的构成材料为无MA+的有机无机杂化钙钛矿FA_0.91Cs_0.09PbI₃；步骤S20具体包括：

配置FA_0.91Cs_0.09PbI₃前驱液：将PbI₂；FAI；CsI按1:0.91:0.09的化学配比加入体积比4.75:1的DMF/DMSO混合液中，至溶液浓度为1.25mol/L，再向溶液中加入MaCl至其浓度为23mol％，以稳定钙钛矿成相；

采用slot-die狭缝涂布的方法制备钙钛矿薄膜，涂布后145-170℃退火10～15分钟完成钙钛矿吸收层4的制备。

本实施例中，采用无MA+的有机无机杂化钙钛矿FA_0.91Cs_0.09PbI₃作为钙钛矿吸收层4的材料，利用其稳定性好的特点，可以大大提升钙钛矿吸收层4的稳定性。

步骤S30，采用掩模版8在钙钛矿吸收层4上沉积二维钙钛矿修饰层5，并取出掩模版；

其中，掩模版8的结构如图3所示，掩模版8具有均匀分布的网孔81，且掩模版8的目数不限。在钙钛矿吸收层4上沉积二维钙钛矿修饰层5时，二维钙钛矿沉积在掩模版的81内并与钙钛矿吸收层4接触，而掩模版8的框体部分则没有形成二维钙钛矿材料，掩模版取下后，即可形成与掩模版8的框体形状配合的孔隙，便于后续空穴传输层6材料嵌入孔隙内并与钙钛矿吸收层4形成接触。

作为本发明的一个实施例，掩模版为Mask金属掩模版，且掩模版的目数为200～1000目。优选的，掩模版的目数为500目，可以足够多的空穴传输层6材料与钙钛矿吸收层4良好接触。

作为本发明的一个实施例，二维钙钛矿修饰层5的材料为二维钙钛矿BA₂MAPb₂I₇，BA为正丁胺阳离子，MA为甲胺阳离子；步骤S30包括：

在钙钛矿吸收层4上放置掩模版8，将放置有掩模版8的电池片放入真空镀膜机中，在4×10^-4～6×10^-4Pa的压强下，以

的速度沉积厚度为

的PbI₂；

将沉积PbI₂的电池片移入低温烘箱中，将丁胺与甲胺粉末以2:1的比例混合熏蒸，得到由二维钙钛矿BA₂MAPb₂I₇形成的二维钙钛矿修饰层5，并将掩模版移除。

作为本发明的一个优选实施例，将放置有掩模版的电池片放入真空镀膜机中，在压强5×10^-4Pa下，以

的速度沉积厚度为

的PbI₂。

步骤S40，在二维钙钛矿修饰层5上沉积空穴传输层6；

作为本发明的一个实施例，空穴传输层63的构成材料为无机p型半导体NiO_X；步骤S40具体包括：

采用磁控溅射的方法在二维钙钛矿修饰层5上沉积一层厚度约为80-100nm的NiO_X薄膜，NiO_X薄膜部分嵌入二维钙钛矿修饰层5的孔隙中并与钙钛矿吸收层4接触。利用二维钙钛矿对钙钛矿吸收层4进行表面修饰，既能够钝化钙钛矿表面缺陷，减少缺陷态密度，提升钙钛矿薄膜质量提高电池效率，又能阻挡钙钛矿吸收层4表面卤素离子的迁移并阻隔水分的侵蚀，提升了材料的稳定性；而且，采用二维钙钛矿嵌入空穴传输层6中的结构，保证空穴传输层6与钙钛矿吸收层4直接接触，避免了二维钙钛矿对空穴传输的抑制作用，进一步提升了电池效率。

步骤S50，在空穴传输层6上沉积电极7。

作为本发明的一个实施例，电极7的材料为Ag；在空穴传输层6上沉积电极7具体包括：采用热蒸镀的方法在电子传输层3上沉积一层Ag电极，电极7的厚度约为55-65nm。

作为本发明的一个优选实施例，电极7的厚度约为60nm。

本发明实施例提供的一种钙钛矿太阳能电池制备方法，通过采用掩模版在钙钛矿吸收层上沉积二维钙钛矿修饰层，将掩模版移除后再在二维钙钛矿修饰层沉积上空穴传输层，使形成空穴传输层部分嵌入二维钙钛矿中并与钙钛矿吸收层接触的结构，利用二维钙钛矿对钙钛矿吸收层进行表面修饰，既能够钝化钙钛矿吸收层表面缺陷，减少缺陷态密度，提升钙钛矿吸收层质量以提高电池效率，又能阻挡钙钛矿吸收层表面卤素离子的迁移并阻隔水分的侵蚀，提升了材料的稳定性；而且，空穴传输层部分嵌入二维钙钛矿中并与钙钛矿吸收层接触，保证空穴传输层与钙钛矿吸收层的直接接触，避免了二维钙钛矿修饰层对空穴传输的抑制作用，进一步提升了电池效率。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括从下至上依次设置的透明导电基底、电子传输层、钙钛矿吸收层、二维钙钛矿修饰层、空穴传输层及电极，所述空穴传输层部分嵌入所述二维钙钛矿修饰层内并与所述钙钛矿吸收层形成接触。

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，所述二维钙钛矿修饰层的材料为二维钙钛矿，所述二维钙钛矿的通式为A’₂A_n-1Pb_nI_3n-1，A’和A分别为氨基阳离子与醚基阳离子中的一种，且A’与A互不相同。

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，所述空穴传输层靠近所述二维钙钛矿修饰层的表面设有均匀分布的多个导通部，多个所述导通部嵌入所述二维钙钛矿修饰层内并与所述钙钛矿吸收层形成接触。

4.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，所述透明导电基底包括透明玻璃基底、及设于所述透明玻璃基底上的透明导电薄膜，所述电子传输层设置于所述透明导电薄膜之上。

5.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，用于制备如权利要求1-4任意一项所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括以下步骤：

在透明导电基底上制备电子传输层；

在所述电子传输层上制备钙钛矿吸收层；

采用掩模版在所述钙钛矿吸收层上沉积二维钙钛矿修饰层，并取出所述掩模版；

在所述二维钙钛矿修饰层上沉积空穴传输层；

在所述空穴传输层上沉积电极。

6.根据权利要求5所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述在透明导电基底上制备电子传输层步骤之前还包括：

清洗透明导电基底：采用无尘纸蘸乙醇擦拭透明导电基底表面，再将透明导电基底经清洁剂、去离子水、丙酮、乙醇依次超声清洗15-20分钟，将所述透明导电基底进烘箱干燥，并通O₃UV处理10-20分钟，完成透明导电基底清洗。

7.根据权利要求5所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述电子传输层的材料为SnO₂纳米颗粒；所述在透明导电基底上制备电子传输层的步骤包括：

将SnO₂纳米颗粒与去离子水以1:5的体积比溶解配置成SnO₂前驱体溶液，将所述SnO₂前驱体溶液涂布在所述透明导电基底上，并退火后制得厚度为50～80nm的电子传输层。

8.根据权利要求5所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述二维钙钛矿修饰层的材料为二维钙钛矿BA₂MAPb₂I₇，BA为正丁胺阳离子，MA为甲胺阳离子。

9.根据权利要求8所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述采用掩模版在所述钙钛矿吸收层上沉积二维钙钛矿修饰层，并取出所述掩模版的步骤包括：

在所述钙钛矿吸收层上放置掩模版，将放置有所述掩模版的电池片放入真空镀膜机中，在4×10^-4～6×10^-4Pa的压强下，以

的速度沉积厚度为

的PbI₂；

将沉积所述PbI₂的电池片移入低温烘箱中，将丁胺与甲胺粉末以2:1的比例混合熏蒸，得到由二维钙钛矿BA₂MAPb₂I₇形成的二维钙钛矿修饰层，并将所述掩模版移除。

10.根据权利要求9所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述掩模版为Mask金属掩模版，且所述掩模版的目数为200～1000目。

Images