CN115666191A - 提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，包括以下步骤：步骤一，设计电池结构；步骤二，制备阴极；步骤三，制备电子传输层；步骤四，制备钙钛矿吸光层；步骤五，制备h‑BN保护层；步骤六，制备空穴传输层；步骤七，制备金属阳极；所述步骤二中，FTO导电玻璃的形状为1.5×2cm的方块，电阻为9‑10Ω，透光率为90％以上；本发明相较于现有的钙钛矿太阳能电池，通过将生长在衬底上的单层或多层的h‑BN二维材料进行图形化处理，然后采用干法转移的方式将其转移到钙钛矿薄膜表面，可以确保h‑BN薄膜完全且均匀的覆盖钙钛矿吸光层，从而有效地隔绝钙钛矿材料和空气中氧和水的接触，因而可以大大提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，具体为提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法。
背景技术
随着煤炭和石油等不可再生能源的告急，可再生资源的开发和利用日益迫切。太阳能作为一种清洁的可再生资源取之不尽，用之不竭。随着技术的进步，基于单晶硅，多晶硅，砷化镓等材料的太阳能电池已经取得了比较高的功率转换效率，实现了商业化，但是这些电池的成本比较高，不利于太阳能资源的大规模利用。钙钛矿太阳能电池自2009年被制备出以来，其功率转换效率迅速从3.8％提高到25.7％以上，可以和市场上主导的单晶硅太阳能电池的效率相匹敌。钙钛矿太阳能电池的制备简单，成本低，有望取代单晶硅，砷化镓等太阳能电池实现商业化。但是钙钛矿材料在空气中是不稳定的，很容易和空气中的水和氧气发生反应，这成为了钙钛矿太阳能电池商业化过程中必须攻克的难关，很多钙钛矿太阳能电池的研究工作致力于提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。
二维的六角氮化硼(h-BN)材料是一种常用的介电材料，近来已经实现了晶圆级别的大规模的可控制备。单层及几层的h-BN材料具有原子级平整的表面和极好的弹性和延展性，可以和薄膜材料充分贴和；另外，二维的h-BN材料在空气中是极其稳定的，因而可以作为空气性敏感材料的保护层。在现有技术中，已有研究人员将BN纳米片掺杂于NiOx空穴传输层中，以此提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。然而，该方法难以保证BN覆盖的均匀性，导致钙钛矿太阳能电池的稳定性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，包括以下步骤：步骤一，设计电池结构；步骤二，制备阴极；步骤三，制备电子传输层；步骤四，制备钙钛矿吸光层；步骤五，制备 h-BN保护层；步骤六，制备空穴传输层；步骤七，制备金属阳极；
其中在上述步骤一中，钙钛矿太阳能电池包括阴极、电子传输层、钙钛矿吸光层、h-BN保护层、空穴传输层和金属阳极，电子传输层包括致密TiO2层和介孔TiO2层，且介孔TiO2层设置于致密TiO2层的上表面，h-BN保护层上分布设置有圆孔，且圆孔的直径为2-5um；
其中在上述步骤二中，采用FTO导电玻璃即掺氟氧化锡导电玻璃作为阴极，并用Zn粉和HCl对FTO进行刻蚀，条形化处理后在FTO导电玻璃上形成宽度为2-5mm的条状结构，然后分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗 15min；
其中在上述步骤三中，采用旋涂法在步骤二中清洗后的阴极上制备厚度在5-20nm的致密TiO2层，再在致密TiO2层上制备厚度在200-400nm的介孔TiO2层，形成电子传输层；
其中在上述步骤四中，采用旋涂法在介孔TiO2上制备厚度在300-600nm 的钙钛矿吸光层，钙钛矿吸光层的材料为含Cs 10％的 Csx(MA0.17FA0.83)1-xPb(I0.83Br0.17)3钙钛矿材料；
其中在上述步骤五中，h-BN保护层采用化学气相沉积法生长的单层或多层h-BN的大面积二维材料，首先利用光刻和刻蚀的方式在h-BN上做周期的圆孔作为载流子通道，圆孔的周期为200-500um，并排列成小阵列，确保落在钙钛矿太阳能电池有效范围内，再根据太阳能电池的分布将小阵列进一步做成大阵列，确保覆盖在每个分开的太阳能电池上，然后利用干法转移的方式转移到制备的钙钛矿吸光层上；
其中在上述步骤六中，采用旋涂法在h-BN保护层上旋涂制备厚度在 20-100nm的空穴传输层，空穴传输层的材料为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)；
其中在上述步骤七中，在空穴传输层上蒸镀金属Au作为金属阳极，金属阳极和阴极交叉部分形成0.04～0.25mm2的太阳能电池面积。
优选的，所述步骤一中，阴极的上表面设置有电子传输层，电子传输层的上表面设置有钙钛矿吸光层，钙钛矿吸光层的上表面设置有h-BN保护层， h-BN保护层的上表面设置有空穴传输层，空穴传输层的上表面设置有金属阳极。
优选的，所述步骤二中，FTO导电玻璃的形状为1.5×2cm的方块，电阻为9-10Ω，透光率为90％以上。
优选的，所述步骤三中，致密TiO2层的制备方法具体为：首先将1体积的乙酰乙酸乙酯基二异丙氧基钛溶于9体积的乙醇溶液中，取50μL的溶液滴于FTO衬底上，以3000转每分钟的转速旋涂45秒，空气中退火450℃，30min，如此重复数次，得到致密TiO2层。
优选的，所述步骤三中，介孔TiO2层的制备方法具体为：取50-100μL 的TiO2纳米胶状溶液，以3000-4500r/min的速度使TiO2纳米溶液均匀涂覆于致密TiO2层之上，将衬底置于管式炉中，在空气中加热至500℃，烧结 30min，如此重复数次，得到介孔TiO2层。
优选的，所述步骤四中，钙钛矿吸光层的制备方法具体为：将一定量的碘化铅(PbI2)，碘甲脒(FAI，ForMaMidiniuM Iodide)，溴化铅(PbBr2)，溴化甲胺(MABr，Methylammonium Bromide)和30μL的碘化铯(CsI)溶液(以2mol/L 的浓度溶于二甲基亚砜(DMSO))置于1mL的体积比为4：1的无水N,N二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜溶液中；室温下搅拌6小时直到混合均匀，然后取50-100μL的混合溶液置于介孔TiO2层上，以4000-6000转每分钟的速度旋涂45秒，在加热板上退火，条件是120℃，45min，以上过程均在手套箱中进行。
优选的，所述步骤六中，空穴传输层的制备方法具体为：以乙腈为溶剂溶解Li-TFSI(双三氟甲烷磺酰亚胺锂)，配成Li-TFSI乙腈溶液；以氯苯为溶剂溶解Spiro-MeOTAD，并加入4-3-丁基吡啶(4-tert-butylpyridine，tBP)和制备的Li-TFSI乙腈溶液，然后旋涂于h-BN层上面，置于干燥箱中氧化24h，得到空穴传输层。
优选的，所述步骤七中，金属阳极的制备方法具体为：采用蒸镀的方式在空穴传输层上镀一层70-100nm的Au电极，蒸镀时采用条状掩模版，得到宽度为2-5mm的Au电极，金属阳极和阴极上的条状结构垂直。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明相较于现有的钙钛矿太阳能电池，通过将生长在衬底上的单层或多层的h-BN二维材料进行图形化处理，然后采用干法转移的方式将其转移到钙钛矿薄膜表面，可以确保h-BN薄膜完全且均匀的覆盖钙钛矿吸光层，从而有效地隔绝钙钛矿材料和空气中氧和水的接触，因而可以大大提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。
附图说明
图1为本发明的钙钛矿太阳能电池整体结构示意图；
图2为本发明的阴极俯视结构示意图；
图3为本发明的h-BN保护层俯视结构示意图；
图4为本发明的金属阳极俯视结构示意图；
图5为本发明的方法流程图；
图中：1、阴极；2、电子传输层；20、致密TiO2层；21、介孔TiO2层； 3、钙钛矿吸光层；4、h-BN保护层；40、圆孔；5、空穴传输层；6、金属阳极。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供的一种实施例：提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，包括以下步骤：步骤一，设计电池结构；步骤二，制备阴极；步骤三，制备电子传输层；步骤四，制备钙钛矿吸光层；步骤五，制备h-BN 保护层；步骤六，制备空穴传输层；步骤七，制备金属阳极；
其中在上述步骤一中，钙钛矿太阳能电池包括阴极1，阴极1的上表面设置有电子传输层2，电子传输层2的上表面设置有钙钛矿吸光层3，钙钛矿吸光层3的上表面设置有h-BN保护层4，h-BN保护层4的上表面设置有空穴传输层5，空穴传输层5的上表面设置有金属阳极6；电子传输层2包括致密 TiO2层20和介孔TiO2层21，且介孔TiO2层21设置于致密TiO2层20的上表面，h-BN保护层4上分布设置有圆孔40，且圆孔40的直径为2-5um；
其中在上述步骤二中，采用FTO导电玻璃即掺氟氧化锡导电玻璃作为阴极1，并用Zn粉和HCl对FTO进行刻蚀，条形化处理后在FTO导电玻璃上形成宽度为2-5mm的条状结构，然后分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗15min；其中，FTO导电玻璃的形状为1.5×2cm的方块，电阻为9-10Ω，透光率为90％以上；
其中在上述步骤三中，采用旋涂法在步骤二中清洗后的阴极1上制备厚度在5-20nm的致密TiO2层20，再在致密TiO2层20上制备厚度在200-400nm 的介孔TiO2层21，形成电子传输层2；其中，致密TiO2层20的制备方法具体为：首先将1体积的乙酰乙酸乙酯基二异丙氧基钛溶于9体积的乙醇溶液中，取50μL的溶液滴于FTO衬底上，以3000转每分钟的转速旋涂45秒，空气中退火450℃，30min，如此重复数次，得到致密TiO2层20；介孔TiO2层21的制备方法具体为：取50-100μL的TiO2纳米胶状溶液，以 3000-4500r/min的速度使TiO2纳米溶液均匀涂覆于致密TiO2层20之上，将衬底置于管式炉中，在空气中加热至500℃，烧结30min，如此重复数次，得到介孔TiO2层21；
其中在上述步骤四中，采用旋涂法在介孔TiO2上制备厚度在300-600nm 的钙钛矿吸光层3，钙钛矿吸光层3的材料为含Cs 10％的Csx(MA0.17FA0.83)1-xPb(I0.83Br0.17)3钙钛矿材料；其中，钙钛矿吸光层3的制备方法具体为：将一定量的碘化铅(PbI2)，碘甲脒(FAI，ForMaMidiniuM Iodide)，溴化铅(PbBr2)，溴化甲胺(MABr，Methylammonium Bromide)和30μL的碘化铯(CsI)溶液(以2mol/L的浓度溶于二甲基亚砜(DMSO))置于1mL的体积比为 4：1的无水N,N二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜溶液中；室温下搅拌6小时直到混合均匀，然后取50-100μL的混合溶液置于介孔TiO2层21上，以 4000-6000转每分钟的速度旋涂45秒，在加热板上退火，条件是120℃， 45min，以上过程均在手套箱中进行；
其中在上述步骤五中，h-BN保护层4采用化学气相沉积法生长的单层或多层h-BN的大面积二维材料，首先利用光刻和刻蚀的方式在h-BN上做周期的圆孔40作为载流子通道，圆孔40的周期为200-500um，并排列成小阵列，确保落在钙钛矿太阳能电池有效范围内，再根据太阳能电池的分布将小阵列进一步做成大阵列，确保覆盖在每个分开的太阳能电池上，然后利用干法转移的方式转移到制备的钙钛矿吸光层3上；
其中在上述步骤六中，采用旋涂法在h-BN保护层4上旋涂制备厚度在 20-100nm的空穴传输层5，空穴传输层5的材料为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)；其中，空穴传输层5的制备方法具体为：以乙腈为溶剂溶解Li-TFSI(双三氟甲烷磺酰亚胺锂)，配成Li-TFSI 乙腈溶液；以氯苯为溶剂溶解Spiro-MeOTAD，并加入4-3-丁基吡啶 (4-tert-butylpyridine，tBP)和制备的Li-TFSI乙腈溶液，然后旋涂于h-BN层上面，置于干燥箱中氧化24h，得到空穴传输层5；
其中在上述步骤七中，在空穴传输层5上蒸镀金属Au作为金属阳极6，金属阳极6和阴极1交叉部分形成0.04～0.25mm2的太阳能电池面积；其中，金属阳极6的制备方法具体为：采用蒸镀的方式在空穴传输层5上镀一层 70-100nm的Au电极，蒸镀时采用条状掩模版，得到宽度为2-5mm的Au电极，金属阳极6和阴极1上的条状结构垂直。
基于上述，本发明的优点在于，本发明以导电玻璃制作阴极1，以TiO2制作电子传输层2作为支撑结构，以钙钛矿材料制作钙钛矿吸光层3，以图形化处理的h-BN二维材料制作h-BN保护层4，以2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)制作空穴传输层5，以Au制作金属阳极6；利用光刻和刻蚀的方法在h-BN表面形成由圆孔40组成的图形结构作为载流子传输的通道，再采用干法转移的方式将其转移到形成的钙钛矿吸光层3表面，形成h-BN保护层4，可以有效地隔绝钙钛矿材料和空气中氧和水的接触，从而可以提高钙钛矿材料的稳定性，延长钙钛矿太阳能电池的寿命。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (8)
1.提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，包括以下步骤：步骤一，设计电池结构；步骤二，制备阴极；步骤三，制备电子传输层；步骤四，制备钙钛矿吸光层；步骤五，制备h-BN保护层；步骤六，制备空穴传输层；步骤七，制备金属阳极；其特征在于：
其中在上述步骤一中，钙钛矿太阳能电池包括阴极(1)、电子传输层(2)、钙钛矿吸光层(3)、h-BN保护层(4)、空穴传输层(5)和金属阳极(6)，电子传输层(2)包括致密TiO2层(20)和介孔TiO2层(21)，且介孔TiO2层(21)设置于致密TiO2层(20)的上表面，h-BN保护层(4)上分布设置有圆孔(40)，且圆孔(40)的直径为2-5um；
其中在上述步骤二中，采用FTO导电玻璃即掺氟氧化锡导电玻璃作为阴极(1)，并用Zn粉和HCl对FTO进行刻蚀，条形化处理后在FTO导电玻璃上形成宽度为2-5mm的条状结构，然后分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗15min；
其中在上述步骤三中，采用旋涂法在步骤二中清洗后的阴极(1)上制备厚度在5-20nm的致密TiO2层(20)，再在致密TiO2层(20)上制备厚度在200-400nm的介孔TiO2层(21)，形成电子传输层(2)；
其中在上述步骤四中，采用旋涂法在介孔TiO2上制备厚度在300-600nm的钙钛矿吸光层(3)，钙钛矿吸光层(3)的材料为含Cs 10％的Csx(MA0.17FA0.83)1-xPb(I0.83Br0.17)3钙钛矿材料；
其中在上述步骤五中，h-BN保护层(4)采用化学气相沉积法生长的单层或多层h-BN的大面积二维材料，首先利用光刻和刻蚀的方式在h-BN上做周期的圆孔(40)作为载流子通道，圆孔(40)的周期为200-500um，并排列成小阵列，确保落在钙钛矿太阳能电池有效范围内，再根据太阳能电池的分布将小阵列进一步做成大阵列，确保覆盖在每个分开的太阳能电池上，然后利用干法转移的方式转移到制备的钙钛矿吸光层(3)上；
其中在上述步骤六中，采用旋涂法在h-BN保护层(4)上旋涂制备厚度在20-100nm的空穴传输层(5)，空穴传输层(5)的材料为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)；
其中在上述步骤七中，在空穴传输层(5)上蒸镀金属Au作为金属阳极(6)，金属阳极(6)和阴极(1)交叉部分形成0.04～0.25mm2的太阳能电池面积。
2.根据权利要求1所述的提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，其特征在于：所述步骤一中，阴极(1)的上表面设置有电子传输层(2)，电子传输层(2)的上表面设置有钙钛矿吸光层(3)，钙钛矿吸光层(3)的上表面设置有h-BN保护层(4)，h-BN保护层(4)的上表面设置有空穴传输层(5)，空穴传输层(5)的上表面设置有金属阳极(6)。
3.根据权利要求1所述的提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，其特征在于：所述步骤二中，FTO导电玻璃的形状为1.5×2cm的方块，电阻为9-10Ω，透光率为90％以上。
4.根据权利要求1所述的提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，其特征在于：所述步骤三中，致密TiO2层(20)的制备方法具体为：首先将1体积的乙酰乙酸乙酯基二异丙氧基钛溶于9体积的乙醇溶液中，取50μL的溶液滴于FTO衬底上，以3000转每分钟的转速旋涂45秒，空气中退火450℃，30min，如此重复数次，得到致密TiO2层(20)。
5.根据权利要求4所述的提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，其特征在于：所述步骤三中，介孔TiO2层(21)的制备方法具体为：取50-100μL的TiO2纳米胶状溶液，以3000-4500r/min的速度使TiO2纳米溶液均匀涂覆于致密TiO2层(20)之上，将衬底置于管式炉中，在空气中加热至500℃，烧结30min，如此重复数次，得到介孔TiO2层(21)。
6.根据权利要求1所述的提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，其特征在于：所述步骤四中，钙钛矿吸光层(3)的制备方法具体为：将一定量的碘化铅(PbI2)，碘甲脒(FAI，ForMaMidiniuM Iodide)，溴化铅(PbBr2)，溴化甲胺(MABr，Methylammonium Bromide)和30μL的碘化铯(CsI)溶液(以2mol/L的浓度溶于二甲基亚砜(DMSO))置于1mL的体积比为4：1的无水N,N二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜溶液中；室温下搅拌6小时直到混合均匀，然后取50-100μL的混合溶液置于介孔TiO2层(21)上，以4000-6000转每分钟的速度旋涂45秒，在加热板上退火，条件是120℃，45min，以上过程均在手套箱中进行。
7.根据权利要求1所述的提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，其特征在于：所述步骤六中，空穴传输层(5)的制备方法具体为：以乙腈为溶剂溶解Li-TFSI(双三氟甲烷磺酰亚胺锂)，配成Li-TFSI乙腈溶液；以氯苯为溶剂溶解Spiro-MeOTAD，并加入4-3-丁基吡啶(4-tert-butylpyridine，tBP)和制备的Li-TFSI乙腈溶液，然后旋涂于h-BN层上面，置于干燥箱中氧化24h，得到空穴传输层(5)。
8.根据权利要求1所述的提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的方法，其特征在于：所述步骤七中，金属阳极(6)的制备方法具体为：采用蒸镀的方式在空穴传输层(5)上镀一层70-100nm的Au电极，蒸镀时采用条状掩模版，得到宽度为2-5mm的Au电极，金属阳极(6)和阴极(1)上的条状结构垂直。
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| CN116347908B (zh) * | 2023-05-30 | 2023-08-11 | 深圳市汉嵙新材料技术有限公司 | 钙钛矿太阳电池及其制备方法、光伏组件 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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