CN115440891A - 一种钙钛矿基太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钙钛矿基太阳电池技术领域，尤其涉及一种钙钛矿基太阳电池。本发明提供了一种钙钛矿基太阳电池，包括由下到上依次层叠设置的底层基板、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层和金属电极；或包括由下到上依此层叠设置的底层基板、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极；所述钙钛矿吸收层和电子传输层之间设置有导电钝化层；所述导电钝化层的导电钝化材料为噻吩烷胺卤化盐类化合物、噻吩烷胺卤化盐类化合物的同分异构体、噻吩甲脒卤化盐类化合物或噻吩甲脒卤化盐类化合物的同分异构体。所述钙钛矿基太阳电池中钝化材料工艺窗口宽，使钙钛矿基太阳电池具有较好的电学性能。
Description
技术领域
本发明涉及钙钛矿基太阳电池技术领域，尤其涉及一种钙钛矿基太阳电池。
背景技术
多年来，成熟的晶硅太阳电池工业一直占据光伏市场的主导地位，目前晶硅电池效率已达26.7％，接近理论极限，进一步的效率提升变得困难。叠层电池可以更充分有效地利用太阳光谱，有望突破单结电池的效率限制。新兴的钙钛矿基太阳电池自出现以来就医突飞猛进的速度发展，短短十几年间效率已由3.9％提升到25.7％。钙钛矿材料有量子产率高，电荷载流子迁移率高、扩散距离长，吸收边陡峭、带隙可调、缺陷容忍度高以及成本低等优势，使其可以作为与晶硅电池组合制备叠层电池的理想顶电池材料。近几年，钙钛矿/硅两段叠层太阳电池已逐渐取得研究人员的关注。工业化成熟的晶硅电池为P-I-N型的微米级金字塔的双绒硅电池，但单结高效钙钛矿电池几乎均使用溶液法制备，考虑到工艺兼容性，叠层相关研究几乎都集中在使用正面抛光或者将金字塔尺寸减小从而制备厚的钙钛矿薄膜将金字塔填平。这不仅大大提高了成本，而且使得商业化双绒硅原有的陷光优势也有所降低。模拟计算表明，将钙钛矿直接保形沉积在绒面硅衬底上可以比将绒面硅金字塔纹理填平的叠层电池获得更高的短路电流。2018年，瑞士洛桑联邦理工大学的Ballif团队(Nat.Mater.2018,17,820)使用蒸发加溶液组合技术在双绒硅衬底上制备保形钙钛矿电池，得到25.2％的认证效率。尽管此种类型叠层电池具有电流优势，但开路电压和填充因子仍不够理想，因为在绒度衬底上生长高质量钙钛矿较为困难，钙钛矿更容易存在各种缺陷。目前叠层电池中钙钛矿与电子传输层之间普遍使用热蒸发的氟化锂薄层作为钝化层，它的钝化效果非常有限，仅能将开压提升约30mV。虽然在单结钙钛矿电池中有很多有效的溶液法制备的钝化材料，但在绒面叠层的情形中，尤其在微米级尺寸的金字塔上使用时，会不可避免地发生滑落和谷底堆积，它们的绝缘特性使得钝化窗口很窄，且对填充因子有较大损害。如果将电池面积增大，这种不良影响会进一步加剧。
综上所述，可归纳出现有P-I-N型钙钛矿基叠层太阳电池的不足：1)钙钛矿与电子传输层界面目前为止没有特别合适的钝化材料能使开路电压和填充因子同步且大幅度提高。2)现有钝化材料工艺窗口过窄，使得商业化大面积的钙钛矿基太阳电池效率的提升受到阻碍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钙钛矿基太阳电池，所述钙钛矿基太阳电池中钝化材料工艺窗口宽，使钙钛矿基太阳电池具有较好的电学性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种钙钛矿基太阳电池，包括由下到上依次层叠设置的底层基板、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层和金属电极；或包括由下到上依次层叠设置的底层基板、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极；所述钙钛矿吸收层和电子传输层之间设置有导电钝化层；
所述导电钝化层的导电钝化材料为噻吩烷胺卤化盐类化合物、噻吩烷胺卤化盐类化合物的同分异构体、噻吩甲脒卤化盐类化合物或噻吩甲脒卤化盐类化合物的同分异构体。
优选的，所述噻吩烷胺卤化盐类化合物包括噻吩烷胺卤化盐或噻吩烷胺卤化盐的导电衍生物；
所述噻吩烷胺卤化盐包括噻吩甲胺卤化盐、噻吩乙胺卤化盐、噻吩丙胺卤化盐、噻吩丁胺卤化盐、噻吩戊胺卤化盐、噻吩己胺卤化盐、噻吩庚胺卤化盐、噻吩辛胺卤化盐、噻吩壬胺卤化盐或噻吩癸胺卤化盐；
所述噻吩烷胺卤化盐的导电衍生物包括噻吩烷胺氟化盐、噻吩烷胺氯化盐、噻吩烷胺溴化盐或噻吩烷胺碘化盐；
所述噻吩甲脒卤化盐类化合物包括噻吩甲脒卤化盐或噻吩甲脒卤化盐的导电衍生物；
所述噻吩甲脒卤化盐的导电衍生物包括噻吩甲脒氟化盐、噻吩甲脒氯化盐、噻吩甲脒溴化盐或噻吩甲脒碘化盐。
优选的，所述导电钝化层的制备方法，包括以下步骤：
将所述导电钝化材料和异丙醇混合，得到导电钝化溶液；
将所述导电钝化溶液涂覆或沉积在所述钙钛矿吸收层表面，得到所述导电钝化层。
优选的，所述导电钝化溶液的浓度为0.5～5mg/mL。
优选的，所述涂覆的方式为旋涂、刮涂或狭缝涂布；
所述沉积的方式为热蒸发、化学气相沉积或物理气相沉积。
优选的，所述底层基板包括透明导电玻璃、柔性衬底、硅底电池、钙钛矿底电池或Ⅲ-Ⅴ族底电池。
优选的，当所述底层基板为硅底电池、钙钛矿底电池或Ⅲ-Ⅴ族底电池时，所述底层基板与所述空穴传输层之间还设置有隧穿结，在所述电子传输层和金属电极之间还依次层叠设置有缓冲层和透明电极层；
所述隧穿结包括重掺杂的n型纳米晶硅和重掺杂的p型纳米晶硅组合层、n型纳米硅氧化物和p型纳米硅氧化物组合层、ITO或超薄金属；
所述重掺杂的n型纳米晶硅的n型掺杂浓度为5×1018～5×1020cm-3；所述重掺杂的p型纳米晶硅的p型掺杂浓度为3×1018～8×1019cm-3；
所述超薄金属的厚度为0.2～5nm。
优选的，所述空穴传输层的材料为PTAA、Spiro-TTB、镍氧化物、钼氧化物和自限式单分子层中的一种或几种；
所述自限式单分子层的材料包括[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸、[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]磷酸和[2-(9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸中的一种或几种；
所述电子传输层的材料为SnO2、TiO2、ZnO、C60和富勒烯衍生物中的一种或多种。
优选的，所述钙钛矿吸收层的厚度为300～1000nm。
优选的，所述缓冲层的材料包括SnO2、ZnO、LiF、PEIE和BCP中的一种或多种；
所述透明电极层为透明导电氧化物薄膜；
所述金属电极的材料包括银、铜、铝或碳。
本发明提供了一种钙钛矿基太阳电池，包括由下到上依次层叠设置的底层基板、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层和金属电极；或包括由下到上依次层叠设置的底层基板、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极；所述钙钛矿吸收层和电子传输层之间设置有导电钝化层；所述导电钝化层的导电钝化材料为噻吩烷胺卤化盐类化合物、噻吩烷胺卤化盐类化合物的同分异构体、噻吩甲脒卤化盐类化合物或噻吩甲脒卤化盐类化合物的同分异构体。所述钙钛矿基太阳电池中的导电钝化层不仅能够有效钝化界面缺陷和体缺陷进而显著降低太阳电池的开路电压损失；同时，本发明还通过导电钝化材料来调节能级匹配，形成场效应，增强内建电场从而调节钙钛矿的电学性能，提高载流子的抽取和迁移率，改善钙钛矿电池的填充因子，提高太阳电池的效率。同时，利用导电钝化层良好的电学性能，还可以增大钙钛矿基太阳电池钝化的工艺窗口，从而获得效率更高的大面积钙钛矿基太阳电池。
附图说明
图1为实施例1所示钙钛矿基太阳电池的结构示意图；
图2为对比例1所示钙钛矿基太阳电池的J-V曲线图；
图3为实施例1所示钙钛矿基太阳电池的J-V曲线图；
图4为实施例2所示钙钛矿基太阳电池的J-V曲线图；
图5为实施例3所示钙钛矿基太阳电池的J-V曲线图；
图6为实施例4所示钙钛矿基太阳电池的J-V曲线图；
图7为对比例2所示钙钛矿基太阳电池的J-V曲线图；
图8为实施例5所示钙钛矿基太阳电池的J-V曲线图；
图9为实施例6所示钙钛矿基太阳电池的J-V曲线图；
图10为实施例7所示钙钛矿基太阳电池的结构示意图；
图11为对比例3所示钙钛矿基太阳电池的J-V曲线图；
图12为实施例7所示钙钛矿基太阳电池的J-V曲线图；
图13为实施例8所示钙钛矿基太阳电池的J-V曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种钙钛矿基太阳电池，包括由下到上依次层叠设置的底层基板、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层和金属电极；或包括由下到上依次层叠设置的底层基板、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极；所述钙钛矿吸收层和电子传输层之间设置有导电钝化层；
所述导电钝化层的导电钝化材料为噻吩烷胺卤化盐类化合物、噻吩烷胺卤化盐类化合物的同分异构体、噻吩甲脒卤化盐类化合物或噻吩甲脒卤化盐类化合物的同分异构体。
在本发明中，所述钙钛矿基太阳电池优选为P-I-N型钙钛矿基太阳电池或N-I-P型钙钛矿基太阳电池，更优选为P-I-N型钙钛矿基太阳电池。
在本发明中，所述底层基板优选包括透明导电玻璃、柔性衬底、硅底电池、钙钛矿底电池或Ⅲ-Ⅴ族底电池。所述柔性衬底优选包括金属箔或塑料；所述金属箔的材料优选为不锈钢、钼、钛、铝或铜；所述塑料的材料优选为PI、PEN、PET或PC；所述Ⅲ-Ⅴ族底电池优选包括砷化镓底电池、磷化镓底电池、磷砷化镓底电池、碲化镉底电池或铜铟镓硒底电池；所述硅底电池优选为晶硅底电池；本发明对所述硅底电池、钙钛矿底电池和Ⅲ-Ⅴ族底电池的具体结构没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的结构即可。
在本发明中，当所述底层基板为硅底电池、钙钛矿底电池或Ⅲ-Ⅴ族底电池时，所述底层基板与所述空穴传输层之间还优选设置有隧穿结；所述隧穿结优选包括重掺杂的n型纳米晶硅/重掺杂的p型纳米晶硅组合层、n型纳米硅氧化物和p型纳米硅氧化物组合层、ITO或超薄金属；所述重掺杂的n型纳米晶硅的n型掺杂浓度优选为5×1018～5×1020cm-3，更优选为1×1019～9×1019cm-3，最优选为3×1019～6×1019cm-3，厚度优选为10～60nm，更优选为20～50nm，最优选为25～40nm；所述重掺杂的p型纳米晶硅的p型掺杂浓度优选为3×1018～8×1019cm-3，更优选为8×1018～5×1019cm-3，最优选为2×1018～4×1019cm-3，厚度优选为5～30nm，更优选为8～25nm，最优选为10～15nm；所述n型纳米硅氧化物的n型掺杂浓度优选为3×1018～3×1020cm-3，更优选为8×1018～6×1020cm-3，最优选为1×1018～4×1020cm-3，厚度优选为15～65nm，更优选为20～55nm，最优选为25～45nm；所述p型纳米硅氧化物的p型掺杂浓度优选为2×1018～7×1019cm-3，更优选为6×1018～5×1019cm-3，最优选为1×1018～4×1019cm-3，厚度优选为5～35nm，更优选为10～25nm，最优选为12～20nm；所述ITO的厚度优选为5～50nm，更优选为10～40nm，最优选为15～30nm；所述超薄金属的厚度优选为0.2～5nm，更优选为0.5～3nm，最优选为1～2nm；所述超薄金属的材料优选为金银铜铝，更优选为金银，最优选为金。
在本发明中，所述隧穿结的作用优选为从两个子电池中分别收集电子和空穴，并在界面处完成复合和隧穿，从而实现顶、底电池的连接。
在本发明中，所述隧穿结的制备方法优选为等离子体增强化学气相沉积；本发明对所述等离子体增强化学气相沉积的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述空穴传输层的材料优选为PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])、Spiro-TTB(2,2,7,7-四(N,N-二对甲苯基)氨基-9,9-螺二芴)、镍氧化物、钼氧化物和自限式单分子层中的一种或几种；所述自限式单分子层包括[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸、[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]磷酸和[2-(9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸中的一种或几种；当所述空穴传输层的材料为上述具体选择中的两种以上时，本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。本发明对所述空穴传输层的厚度没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的厚度即可。
本发明对所述空穴传输层的制备方法没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法进行即可。在本发明的实施例中，所述空穴传输层的制备方法具体为热蒸发。
在本发明中，所述钙钛矿吸收层的材料优选为ABX3型钙钛矿半导体材料；其中，A优选为烷基胺、烷基脒和碱族元素中的一种或几种，所述碱族元素为铷和/或铯；B优选为铅；X优选为碘、溴和氯中的一种或几种；所述烷基胺优选为甲胺；所述烷基脒优选为甲脒。在本发明中，所述钙钛矿吸收层的厚度优选为300～1000nm，更优选为400～800nm，最优选为500～600nm。
在本发明中，所述钙钛矿吸收层的制备方法优选包括溶液法或气相沉积法；所述溶液法优选包括一步旋涂法、两步旋涂法、刮涂法或狭缝涂布法；所述气相沉积法优选包括热蒸发法、化学气相沉积法或物理气相沉积法。本发明对上述制备方法的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述导电钝化层的导电钝化材料为噻吩烷胺卤化盐类化合物、噻吩烷胺卤化盐类化合物的同分异构体、噻吩甲脒卤化盐类化合物或噻吩甲脒卤化盐类化合物的同分异构体；所述噻吩烷胺卤化盐类化合物优选包括噻吩烷胺卤化盐或噻吩烷胺卤化盐的导电衍生物；所述噻吩烷胺卤化盐优选包括噻吩甲胺卤化盐、噻吩乙胺卤化盐、噻吩丙胺卤化盐、噻吩丁胺卤化盐、噻吩戊胺卤化盐、噻吩己胺卤化盐、噻吩庚胺卤化盐、噻吩辛胺卤化盐、噻吩壬胺卤化盐或噻吩癸胺卤化盐；所述噻吩烷胺卤化盐的导电衍生物优选包括噻吩烷胺氟化盐、噻吩烷胺氯化盐、噻吩烷胺溴化盐或噻吩烷胺碘化盐；所述噻吩甲脒卤化盐类化合物优选包括噻吩甲脒卤化盐或噻吩甲脒卤化盐的导电衍生物；所述噻吩甲脒卤化盐的导电衍生物优选为噻吩甲脒氟化盐、噻吩甲脒氯化盐、噻吩甲脒溴化盐或噻吩甲脒碘化盐。在本发明中，所述导电钝化层的厚度优选为2.5～30nm，更优选为5～19nm，最优选为10～15nm。
在本发明中，所述导电钝化层的制备方法优选包括以下步骤：
将所述导电钝化材料和异丙醇混合，得到导电钝化溶液；
将所述导电钝化溶液涂覆或沉积在所述钙钛矿吸收层表面，得到所述导电钝化层。
本发明将所述导电钝化材料和异丙醇混合，得到导电钝化溶液。
本发明对所述混合的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述导电钝化溶液的浓度优选为0.5～5mg/mL，更优选为1～4mg/mL，最优选为2～3mg/mL。
得到导电钝化溶液后，本发明将所述导电钝化溶液涂覆或沉积在所述钙钛矿吸收层表面，得到所述导电钝化层。
在本发明中，所述涂覆或沉积优选在氮气气氛或大气环境中进行，更优选在氮气气氛中进行。
在本发明中，所述涂覆的方式优选为旋涂、刮涂或狭缝涂布；所述沉积的方式优选为热蒸发、化学气相沉积或物理气相沉积。本发明对所述涂覆或沉积的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明的实施例中，具体选用旋涂的方式，所述旋涂的转速为5000rpm，时间为30s。
当选用涂覆的方式时，所述涂覆完成后，本发明还优选包括退火处理；所述退火处理的温度优选为100℃，时间优选为5min。
在本发明中，所述导电钝化层的制备过程中，导电钝化层与钙钛矿发生较强的相互作用，并能深入钙钛矿薄膜体内，在表面和体内形成2D宽带隙钙钛矿，钝化钙钛矿表面和体内多种缺陷，同时提高电荷载流子的迁移率和扩散长度。
在本发明中，所述电子传输层的材料优选为SnO2、TiO2、ZnO、C60和富勒烯衍生物中的一种或多种；当所述电子传输层的材料为上述具体选择中的两种以上时，本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。本发明对所述电子传输层的厚度没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的厚度即可。
本发明对所述电子传输层的制备方法没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法进行制备即可。在本发明的实施例中，所述电子传输层的制备方法为热蒸发法。
当所述底层基板为硅底电池、钙钛矿底电池或Ⅲ-Ⅴ族底电池时，在所述电子传输层和金属电极之间还优选依次层叠设置有缓冲层和透明电极层。在本发明中，所述缓冲层的材料优选包括SnO2、ZnO、LiF、PEIE(聚乙氧基乙烯亚胺)和BCP(2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲)中的一种或多种；当所述缓冲层的材料为上述具体选择中的两种以上时，本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。本发明对所述缓冲层的厚度没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的厚度即可。
本发明对所述缓冲层的制备方法没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法进行即可。在本发明的实施例中，所述缓冲层的制备方法为原子层沉积法。
在本发明中，所述透明电极层优选为透明导电氧化物薄膜，所述透明导电氧化膜薄膜的材料优选为ITO、FTO、AZO、IZO、IGZO、石墨烯-氧化物、氧化物-金属-氧化物中的一种或几种；所述石墨烯-氧化物中的氧化物或所述氧化物-金属-氧化物中的氧化物独立的优选包括铋氧化物、钼氧化物、钨氧化物、锡氧化物、钛氧化物、镍氧化物和锌氧化物中的一种或几种；所述氧化物-金属-氧化物中的金属包括金、银、铜和铝中的一种或几种。当所述透明电极层为上述具体选择中的两种以上时，各电极层之间优选层叠设置。本发明对所述透明电极层的厚度没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的厚度即可。
本发明对所述透明电极层的制备方法没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法进行即可。在本发明的实施例中，所述透明电极层的制备方法为低功率磁控溅射法。
在本发明中，所述金属电极的材料优选包括银、铜、铝和碳中的一种或几种；本发明对所述金属电极在所述透明电极层表面的位置结构关系没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的金属栅线电极结构即可。本发明对所述金属电极的厚度没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的厚度即可。
当所述底层基板为硅底电池、钙钛矿底电池或Ⅲ-Ⅴ族底电池时，所述钙钛矿基太阳电池还包括背电极，所述背电极与所述隧道结优选位于所述底层基板的相对侧。在本发明中，所述背电极的材料优选包括银、铜、铝和碳中的一种或几种；本发明对所述背电极的厚度没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的厚度即可。
本发明对所述金属电极和背电极的制备方法没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法进行即可。在本发明的实施例中，所述金属电极的制备方法为热蒸发法。
下面结合实施例对本发明提供的钙钛矿基太阳电池进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
如图1所示，由下到上包括依次层叠设置的背电极(银铝)、晶硅底电池、隧穿结(重掺杂的n型纳米晶硅/重掺杂的p型纳米晶硅组合层)、空穴传输层(Spiro-TTB)、钙钛矿光活性层、导电钝化层、电子传输层C60、缓冲层SnO2、透明导电薄膜(IZO)和金属电极(铝)；
制备方法：
采用等离子体增强化学气相沉积法制备晶硅底电池和隧穿结；
采用热蒸发法，在所述隧穿结的表面制备空穴传输层(厚度为8nm)；
在所述空穴传输层的表面先热蒸发无机盐PbI2，再旋涂浓度为0.67M的有机盐溶液(甲脒溴和甲脒碘摩尔比为1:4.7)，加热退火(温度为150℃，时间为20min)得到钙钛矿吸收层(材料为Cs0.1FA0.9PbI2.74Br0.16Cl0.1，厚度为500nm)；
将1mg噻吩乙胺溴和1mL无水异丙醇混合，得到导电钝化溶液后，在充满氮气的手套箱中，将所述导电钝化溶液旋涂在所述钙钛矿吸收层的表面(旋涂的转速为5000rpm，时间为30s)，退火(100℃，5min)，得到导电钝化层(厚度为5nm)；
采用热蒸发法，在所述导电钝化层的表面制备电子传输层(厚度为15nm)；
采用原子层沉积法，在所述电子传输层的表面制备缓冲层(厚度为22nm)；
采用热蒸发法，在所述缓冲层的表面制备金属栅线电极结构的铝金属电极(如图1所示的金属前电极)，在所述晶硅底电池的背面制备银铝金属背电极，得到所述钙钛矿基太阳电池(面积0.5036cm2)。
将所述钙钛矿基太阳电池在一个标准太阳强度(AM1.5，100mW/cm2)的辐照下，测试所述宽带隙钙钛矿基叠层太阳电池的光电性能，其中J-V曲线如图3所示，由图3可知，所述钙钛矿基太阳电池的开路电压为1.806V，填充因子为78.96％，短路电流密度为18.60mA/cm2，光电转换效率为26.50％。
实施例2
参考实施例1，区别在于将2mg噻吩乙胺溴和1mL无水异丙醇混合，得到导电钝化溶液后，在充满氮气的手套箱中，将所述导电钝化溶液旋涂在所述钙钛矿吸收层的表面(旋涂的转速为5000rpm，时间为30s)，退火(100℃，5min)，得到导电钝化层(厚度为12nm)；
将制备得到的钙钛矿基太阳电池一个标准太阳强度(AM1.5，100mW/cm2)的辐照下，测试所述宽带隙钙钛矿基叠层太阳电池的光电性能，其中J-V曲线如图4所示，由图4可知，所述钙钛矿基太阳电池的开路电压为1.825V，填充因子为80.10％，短路电流密度为18.31mA/cm2，光电转换效率为26.76％。
实施例3
参考实施例1，区别在于将3mg噻吩乙胺溴和1mL无水异丙醇混合，得到导电钝化溶液后，在充满氮气的手套箱中，将所述导电钝化溶液旋涂在所述钙钛矿吸收层的表面(旋涂的转速为5000rpm，时间为30s)，退火(100℃，5min)，得到导电钝化层(厚度为19nm)；
将制备得到的钙钛矿基太阳电池一个标准太阳强度(AM1.5，100mW/cm2)的辐照下，测试所述宽带隙钙钛矿基叠层太阳电池的光电性能，其中J-V曲线如图5所示，由图5可知，所述钙钛矿基太阳电池的开路电压为1.855V，填充因子为79.65％，短路电流密度为18.09mA/cm2，光电转换效率为26.70％。
实施例4
参考实施例1，区别在于将5mg噻吩乙胺溴和1mL无水异丙醇混合，得到导电钝化溶液后，在充满氮气的手套箱中，将所述导电钝化溶液旋涂在所述钙钛矿吸收层的表面(旋涂的转速为5000rpm，时间为30s)，退火(100℃，5min)，得到导电钝化层(厚度为30nm)；
将制备得到的钙钛矿基太阳电池一个标准太阳强度(AM1.5，100mW/cm2)的辐照下，测试所述宽带隙钙钛矿基叠层太阳电池的光电性能，其中J-V曲线如图6所示，由图6可知，所述钙钛矿基太阳电池的开路电压为1.877V，填充因子为72.03％，短路电流密度为17.41mA/cm2，光电转换效率为23.52％。
对比例1
参考实施例1，区别在于省略导电钝化层的制备；
将制备得到的钙钛矿基太阳电池一个标准太阳强度(AM1.5，100mW/cm2)的辐照下，测试所述宽带隙钙钛矿基叠层太阳电池的光电性能，其中J-V曲线如图2所示，由图2可知，所述钙钛矿基太阳电池的开路电压为1.754V，填充因子为76.52％，短路电流密度为18.32mA/cm2，光电转换效率为24.65％。
对比例2
参考对比例1，区别在于制备得到的钙钛矿基太阳电池的面积为11.879cm2，背电极为银金属背电极；
将制备得到的钙钛矿基太阳电池一个标准太阳强度(AM1.5，100mW/cm2)的辐照下，测试所述宽带隙钙钛矿基叠层太阳电池的光电性能，其中J-V曲线如图7所示，由图7可知，所述钙钛矿基太阳电池的开路电压为1.770V，填充因子为67.55％，短路电流密度为18.21mA/cm2，光电转换效率为21.77％。
实施例5
参考对比例2，区别在于，在所述钙钛矿吸收层的表面制备导电钝化层，所述导电钝化层的制备参考实施例2；
将制备得到的钙钛矿基太阳电池一个标准太阳强度(AM1.5，100mW/cm2)的辐照下，测试所述宽带隙钙钛矿基叠层太阳电池的光电性能，其中J-V曲线如图8所示，由图8可知，所述钙钛矿基太阳电池的开路电压为1.844V，填充因子为72.85％，短路电流密度为18.38mA/cm2，光电转换效率为24.70％。
实施例6
参考对比例2，区别在于，增加在所述钙钛矿吸收层的表面制备导电钝化层的过程，所述导电钝化层的制备参考实施例4；
将制备得到的钙钛矿基太阳电池一个标准太阳强度(AM1.5，100mW/cm2)的辐照下，测试所述宽带隙钙钛矿基叠层太阳电池的光电性能，其中J-V曲线如图9所示，由图9可知，所述钙钛矿基太阳电池的开路电压为1.876V，填充因子为69.54％，短路电流密度为17.47mA/cm2，光电转换效率为22.79％。
对比例3
将面积为2cm×2cm的ITO依次用清洗剂、去离子水和异丙醇进行超声清洗后，用氮气吹干后进行紫外臭氧处理20min，作为底层基板；
采用热蒸发法，在所述底层基板的表面制备空穴传输层(Spiro-TTB，厚度为8nm)；
在所述空穴传输层的表面先热蒸发无机盐PbI2，再旋涂浓度为0.67M的有机盐溶液(甲脒溴和甲脒碘摩尔比为1:4.7)，加热退火(温度为150℃，时间为20min)得到钙钛矿吸收层(材料为Cs0.1FA0.9PbI2.74Br0.16Cl0.1，厚度为500nm)；
采用热蒸发法，在所述钙钛矿吸收层的表面制备电子传输层(C60，厚度为15nm)；
采用热蒸发法，在所述电子传输层制备铝金属电极，得到所述钙钛矿基太阳电池。
将制备得到的钙钛矿基太阳电池一个标准太阳强度(AM1.5，100mW/cm2)的辐照下，测试所述宽带隙钙钛矿基叠层太阳电池的光电性能，其中J-V曲线如图11所示，由图11可知，所述钙钛矿基太阳电池的开路电压为1.086V，填充因子为76.56％，短路电流密度为21.20mA/cm2，光电转换效率为17.63％。
实施例7
参考对比例3，区别在于，增加在所述钙钛矿吸收层的表面制备导电钝化层的过程，所述导电钝化层的制备参考实施例1；
将制备得到的钙钛矿基太阳电池(如图10所示)一个标准太阳强度(AM1.5，100mW/cm2)的辐照下，测试所述宽带隙钙钛矿基叠层太阳电池的光电性能，其中J-V曲线如图12所示，由图12可知，所述钙钛矿基太阳电池的开路电压为1.120V，填充因子为81.25％，短路电流密度为21.67mA/cm2，光电转换效率为19.72％。
实施例8
参考对比例3，区别在于，增加在所述钙钛矿吸收层的表面制备导电钝化层的过程，所述导电钝化层的制备参考实施例2；
将制备得到的钙钛矿基太阳电池一个标准太阳强度(AM1.5，100mW/cm2)的辐照下，测试所述宽带隙钙钛矿基叠层太阳电池的光电性能，其中J-V曲线如图13所示，由图13可知，所述钙钛矿基太阳电池的开路电压为1.147V，填充因子为80.10％，短路电流密度为21.57mA/cm2，光电转换效率为19.81％。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种钙钛矿基太阳电池，包括由下到上依次层叠设置的底层基板、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层和金属电极；或包括由下到上依此层叠设置的底层基板、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极；其特征在于，所述钙钛矿吸收层和电子传输层之间设置有导电钝化层；
所述导电钝化层的导电钝化材料为噻吩烷胺卤化盐类化合物、噻吩烷胺卤化盐类化合物的同分异构体、噻吩甲脒卤化盐类化合物或噻吩甲脒卤化盐类化合物的同分异构体。
2.如权利要求1所述的钙钛矿基太阳电池，其特征在于，所述噻吩烷胺卤化盐类化合物包括噻吩烷胺卤化盐或噻吩烷胺卤化盐的导电衍生物；
所述噻吩烷胺卤化盐包括噻吩甲胺卤化盐、噻吩乙胺卤化盐、噻吩丙胺卤化盐、噻吩丁胺卤化盐、噻吩戊胺卤化盐、噻吩己胺卤化盐、噻吩庚胺卤化盐、噻吩辛胺卤化盐、噻吩壬胺卤化盐或噻吩癸胺卤化盐；
所述噻吩烷胺卤化盐的导电衍生物包括噻吩烷胺氟化盐、噻吩烷胺氯化盐、噻吩烷胺溴化盐或噻吩烷胺碘化盐；
所述噻吩甲脒卤化盐类化合物包括噻吩甲脒卤化盐或噻吩甲脒卤化盐的导电衍生物；
所述噻吩甲脒卤化盐的导电衍生物包括噻吩甲脒氟化盐、噻吩甲脒氯化盐、噻吩甲脒溴化盐或噻吩甲脒碘化盐。
3.如权利要求1或2所述的钙钛矿基太阳电池，其特征在于，所述导电钝化层的制备方法，包括以下步骤：
将所述导电钝化材料和异丙醇混合，得到导电钝化溶液；
将所述导电钝化溶液涂覆或沉积在所述钙钛矿吸收层表面，得到所述导电钝化层。
4.如权利要求3所述的钙钛矿基太阳电池，其特征在于，所述导电钝化溶液的浓度为0.5～5mg/mL。
5.如权利要求3所述的钙钛矿基太阳电池，其特征在于，所述涂覆的方式为旋涂、刮涂或狭缝涂布；
所述沉积的方式为热蒸发、化学气相沉积或物理气相沉积。
6.如权利要求1所述的钙钛矿基太阳电池，其特征在于，所述底层基板包括透明导电玻璃、柔性衬底、硅底电池、钙钛矿底电池或Ⅲ-Ⅴ族底电池。
7.如权利要求6所述的钙钛矿基太阳电池，其特征在于，当所述底层基板为硅底电池、钙钛矿底电池或Ⅲ-Ⅴ族底电池时，所述底层基板与所述空穴传输层之间还设置有隧穿结，在所述电子传输层和金属电极之间还依次层叠设置有缓冲层和透明电极层；
所述隧穿结包括重掺杂的n型纳米晶硅和重掺杂的p型纳米晶硅组合层、n型纳米硅氧化物和p型纳米硅氧化物组合层、ITO或超薄金属；
所述重掺杂的n型纳米晶硅的n型掺杂浓度为5×1018～5×1020cm-3；所述重掺杂的p型纳米晶硅的p型掺杂浓度为3×1018～8×1019cm-3；
所述超薄金属的厚度为0.2～5nm。
8.如权利要求6所述的钙钛矿基太阳电池，其特征在于，所述空穴传输层的材料为PTAA、Spiro-TTB、镍氧化物、钼氧化物和自限式单分子层中的一种或几种；
所述自限式单分子层的材料包括[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸、[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]磷酸和[2-(9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸中的一种或几种；
所述电子传输层的材料为SnO2、TiO2、ZnO、C60和富勒烯衍生物中的一种或多种。
9.如权利要求6所述的钙钛矿基太阳电池，其特征在于，所述钙钛矿吸收层的厚度为300～1000nm。
10.如权利要求7所述的钙钛矿基太阳电池，其特征在于，所述缓冲层的材料包括SnO2、ZnO、LiF、PEIE和BCP中的一种或多种；
所述透明电极层为透明导电氧化物薄膜；
所述金属电极的材料包括银、铜、铝或碳。
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|---|---|---|---|---|
| CN116171053A (zh) * | 2023-03-21 | 2023-05-26 | 四川大学 | 一种全钙钛矿叠层太阳能电池及其制备方法 |
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2022
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