CN115666197A

CN115666197A - 一种高机械稳定性的柔性太阳能电池及制备方法

Info

Publication number: CN115666197A
Application number: CN202211593124.6A
Authority: CN
Inventors: 史彦涛; 董庆顺
Original assignee: Wuxi Zhongneng Optical Storage Technology Co ltd
Current assignee: Wuxi Zhongneng Optical Storage Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-13
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2042-12-13
Also published as: CN115666197B

Abstract

本发明提出一种高机械稳定性的柔性太阳能电池及制备方法，电池包括依次层叠设置的顶电极、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和底电极；所述钙钛矿层包括钙钛矿吸光层和低维钙钛矿层，所述低维钙钛矿层为低维钙钛矿在所述钙钛矿吸光层表面晶界处生长得到的低维钙钛矿结构。采用极性铵盐选择性与晶界处的碘化铅发生反应，随后又在水分诱导下原位生长生成低维钙钛矿，起到加固晶界、增强薄膜断裂能的作用，从而提升柔性钙钛矿太阳能电池的弯曲稳定性和耐拉伸稳定性；此外，低维钙钛矿还可以有效钝化钙钛矿薄膜表面缺陷，有效提升电池效率，这对于柔性钙钛矿太阳能电池的快速走向实用化具有重要意义。

Description

一种高机械稳定性的柔性太阳能电池及制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种高机械稳定性的柔性太阳能电池及制备方法。

背景技术

钙钛矿太阳能电池凭借钙钛矿材料优异的光电特性已经获得了与晶硅太阳能电池相当的光电转换效率。不仅如此，钙钛矿材料还容易实现低温溶液法成膜，因而特别适用于制备柔性器件。柔性钙钛矿太阳能电池应用范围广（移动充电、无人机、轻质光电建筑等），且适用于卷对卷等大规模生产工艺，因此可以有效增强钙钛矿太阳能电池的未来竞争力。然而要满足实用化，除了具备高光电转换效率之外，柔性钙钛矿太阳能电池还需要具备高机械稳定性，以满足生产和使用过程中机械应变带来的性能损失。

目前柔性钙钛矿太阳能电池的机械稳定性较差，主要原因是由于钙钛矿薄膜较低的断裂能。钙钛矿薄膜是多晶薄膜，存在大量晶界。晶界处连接能力弱，在弯曲或拉伸过程中容易发生断裂，进而诱发整个薄膜的机械损伤。

所以，针对现有技术存在的不足，有必要设计一种高机械稳定性的柔性太阳能电池及制备方法，以解决上述问题。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种高机械稳定的柔性太阳能电池及制备方法。使用有机铵碘盐与钙钛矿晶界处的碘化铅选择性的发生反应生成低维钙钛矿；随后，在水分的诱导下，低维钙钛矿沿3D钙钛矿表面生长生成跨晶界的结构，从而起到有效增强钙钛矿薄膜断裂能的效果。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种高机械稳定性的柔性太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

在顶电极上依次制备空穴传输层、钙钛矿吸光层、低维钙钛矿层、电子传输层和底电极；

其中，钙钛矿吸光层通过溶液法或真空法制得；

所述钙钛矿吸光层包括有机组分和无机组分，所述有机组分包括甲脒离子和甲胺离子；所述无机组分包括但不限于铅离子、卤素离子和铯离子；所述钙钛矿吸光层中卤化铅过量5%-20%，且生长于钙钛矿晶界处；

其中，低维钙钛矿层制备步骤如下：

先将带有长链或芳香基团的铵卤盐溶于溶剂中，所述溶剂包括异丙醇、氯苯和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中的至少一种，再将水分加入其中并搅拌均匀，得到低维钙钛矿生长溶液；然后将所述低维钙钛矿生长溶液涂敷于所述钙钛矿吸光层上，再经100℃退火1min，制得所述低维钙钛矿层。

优选的技术方案为：所述低维钙钛矿生长溶液中，所述铵卤盐在所述溶剂中的浓度介于0.001-0.1 mol/L；所述水分与所述铵卤盐的摩尔比介于1:10-10:1。

优选的技术方案为：在制备所述空穴传输层之前，先对所述顶电极进行预处理，包括以下步骤：

a.首先，在所述顶电极上使用激光刻蚀图案；

b.然后，依次使用清洗液、去离子水、乙醇和异丙醇清洗所述顶电极；

c.最后，烘干所述顶电极。

优选的技术方案为：所述顶电极采用氧化铟锡（ITO）或聚对苯二甲酸乙二酯（PET）。

优选的技术方案为：将浓度为2mg/mL的聚双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺（PTAA）涂敷于所述顶电极上，再经100℃退火10min，制得所述空穴传输层。

优选的技术方案为：将氧化铟锡（ITO）溅射至所述电子传输层上，厚度为200nm，制得所述底电极。

一种太阳能电池，所述太阳能电池采用上述的高机械稳定性的柔性太阳能电池的制备方法制备而成。

由于上述技术方案运用，本发明具有的有益效果为：

本发明提出的一种高机械稳定性的柔性太阳能电池及制备方法，极性铵盐可以选择性与晶界处的碘化铅发生反应，随后又在水分诱导下原位生长生成低维钙钛矿，起到加固晶界、增强薄膜断裂能的作用，从而提升柔性钙钛矿太阳能电池的弯曲稳定性和耐拉伸稳定性；低维钙钛矿还可以有效钝化钙钛矿薄膜表面缺陷，有效提升电池效率，这对于柔性钙钛矿太阳能电池的快速走向实用化具有重要意义。

附图说明

图1为本发明钙钛矿太阳能电池截面示意图。

图2为本发明钙钛矿太阳能电池与传统钙钛矿太阳能电池光电性能对比示意图。

图3为本发明钙钛矿太阳能电池与传统钙钛矿太阳能电池弯曲测试对比示意图。

以上附图中，1、顶电极；2、空穴传输层；3、钙钛矿吸光层；4、低维钙钛矿层；5、电子传输层；6、底电极。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1-图3。须知，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

如图1所示，为本发明涉及的一种高机械稳定性的柔性太阳能电池，包括依次层叠设置的顶电极1、空穴传输层2、钙钛矿层、电子传输层5和底电极6；钙钛矿层包括钙钛矿吸光层3和低维钙钛矿层4，低维钙钛矿层4为低维钙钛矿在钙钛矿吸光层3表面晶界处生长得到的“跨晶界”低维钙钛矿结构。

其中，钙钛矿吸光层3为有机铅卤钙钛矿，卤化铅过量5%-20%，且生长于钙钛矿晶界处；低维钙钛矿层4由低维钙钛矿生长溶液涂敷于钙钛矿吸光层3上，再经退火制得。低维钙钛矿生长溶液为极性有机铵盐的醇溶液，其中有添加一定量的水分。有机铵盐能够与钙钛矿晶界处的卤化铅选择性的发生反应生成低维钙钛矿；随后，在水分的诱导下，低维钙钛矿可沿钙钛矿吸光层3表面生长，从而得到“跨晶界”的低维钙钛矿结构，可有效增强钙钛矿薄膜的断裂能。

具体的，本申请还涉及一种上述高机械稳定的柔性太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

（1）顶电极1预处理；

（2）在顶电极1上制备空穴传输层2；

（3）在空穴传输层2上制备钙钛矿吸光层3；

（4）在钙钛矿吸光层3上制备低维钙钛矿层4；

（5）在低维钙钛矿层4上制备电子传输层5；

（6）在电子传输层5上制备底电极6，得到钙钛矿太阳能电池。

其中，步骤（1），对顶电极1预处理包括以下步骤：

a.首先，在顶电极1上使用激光刻蚀图案；顶电极1采用氧化铟锡（ITO）或聚对苯二甲酸乙二酯（PET）。

b.然后，依次使用清洗液、去离子水、乙醇和异丙醇清洗顶电极1；

c.最后，烘干顶电极1。

步骤（2），将浓度为2mg/mL的聚双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺（PTAA）涂敷于顶电极1上，再经100℃退火10min，制得空穴传输层2。

步骤（3），通过溶液法或真空法制得钙钛矿吸光层3；钙钛矿吸光层3包括有机组分和无机组分，有机组分包括甲脒离子和甲胺离子；无机组分包括但不限于铅离子，卤素离子（氯离子、溴离子、碘离子），铯离子；钙钛矿吸光层中卤化铅过量5%-20%，且生长于钙钛矿晶界处。

本实施例中，首先，将PbI₂、CH(NH₂)₂I、PbBr₂和NH₃CH₃Br按照摩尔比1.1:1:0.22:0.2溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）: 氮甲基吡咯烷酮（NMP）=7:1（体积比）的溶剂中，得到前驱体溶液。然后，运用狭缝涂布工艺将前驱体溶液涂敷于空穴传输层2上，参数如下：预注液量40μl，预注液速度9μl/s，涂布速度5cm/s，注液速度1.75μl/s，等待时间2s。涂膜完成后，立即转入真空制晶设备，20kPa条件下，制晶1min。取出后150℃退火10min，制得钙钛矿吸光层3。

步骤（4），先将带有长链或芳香基团的铵卤盐溶于溶剂中，溶剂包括异丙醇、氯苯和N, N-二甲基甲酰胺（DMF）中的至少一种，再将水分加入到上述溶液中，搅拌均匀，得到低维钙钛矿生长溶液；然后，将低维钙钛矿生长溶液涂敷于钙钛矿吸光层上，再经100℃退火1min，制得低维钙钛矿层4。

低维钙钛矿生长溶液中，铵卤盐在溶剂中的浓度介于0.001-0.1 mol/L；水分与铵卤盐的摩尔比介于1:10-10:1。

本实施例中，铵卤盐采用对溴苄基铵碘盐，溶剂采用异丙醇。低维钙钛矿生长溶液制备方法具体如下：先将对溴苄基铵碘盐溶于异丙醇溶液中，浓度为10mg/mL。然后将摩尔量为溴苄基铵碘盐1/10的水分加入到上述溶液中，搅拌均匀，制得低维钙钛矿生长溶液。

步骤（5），将富勒烯（ C60）和2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-菲罗啉（BCP）依次蒸镀于低维钙钛矿层4上，厚度分别为20nm和3nm，制得电子传输层5。

步骤（6），将氧化铟锡（ITO）溅射至电子传输层5上，厚度为200nm，制得底电极6，从而得到对溴苄基铵碘盐基低维钙钛矿增强的柔性钙钛矿太阳能电池。

对比例：

制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于没有步骤（4）。

将实施例和对比例中涉及的两种钙钛矿太阳能电池在AM1.5G，100mW/cm²测试条件下用Keithley 2400测试电池的光电转换效率，结果见图2。其中，V_oc表示开路电压，单位为V；J_sc表示短路电流，单位为mA cm^-2，FF表示填充因子单位为％，PCE表示光电转换效率，单位为%。

光电性能测试后的电池，再进行弯曲测试，弯曲半径为5mm，光电转换效率随弯曲次数的变化结果见图3。

可知，本发明运用“跨晶界”低维钙钛矿（如对溴苄基铵碘盐基钙钛矿）的方法来提高柔性钙钛矿太阳能电池的效率和机械稳定性。器件的平均光电转换效率从18.8%提升至21.1%。实施例涉及的器件在弯曲8000次后，其光电转换效率降低至初始效率的79%，对比例涉及的器件在弯曲8000次后，其光电转换效率降低至初始效率的20%，可见本发明涉及的器件，其耐弯曲性能优异，该方法操作简单对于柔性钙钛矿太阳能电池未来的大规模产业化应用具有重要意义。

由于上述技术方案运用，本发明具有的有益效果为：

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神和技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种高机械稳定性的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

其中，钙钛矿吸光层通过溶液法或真空法制得；

其中，低维钙钛矿层制备步骤如下：

先将带有长链或芳香基团的铵卤盐溶于溶剂中，所述溶剂包括异丙醇、氯苯和N, N-二甲基甲酰胺（DMF）中的至少一种，再将水分加入其中并搅拌均匀，得到低维钙钛矿生长溶液；然后将所述低维钙钛矿生长溶液涂敷于所述钙钛矿吸光层上，再经100℃退火1min，制得所述低维钙钛矿层。

2.根据权利要求1所述的一种高机械稳定性的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述低维钙钛矿生长溶液中，所述铵卤盐在所述溶剂中的浓度介于0.001-0.1 mol/L；所述水分与所述铵卤盐的摩尔比介于1:10-10:1。

3.根据权利要求1所述的一种高机械稳定性的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：在制备所述空穴传输层之前，先对所述顶电极进行预处理，包括以下步骤：

a.首先，在所述顶电极上使用激光刻蚀图案；

c.最后，烘干所述顶电极。

4.根据权利要求1所述的一种高机械稳定性的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述顶电极采用氧化铟锡（ITO）或聚对苯二甲酸乙二酯（PET）。

5.根据权利要求1所述的一种高机械稳定性的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：将浓度为2mg/mL的聚双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺（PTAA）涂敷于所述顶电极上，再经100℃退火10min，制得所述空穴传输层。

6.根据权利要求1所述的一种高机械稳定性的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：将富勒烯（C60）和2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-菲罗啉（BCP）依次蒸镀于所述低维钙钛矿层上，厚度分别为20nm和3nm，制得所述电子传输层。

7.根据权利要求1所述的一种高机械稳定性的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：将氧化铟锡（ITO）溅射至所述电子传输层上，厚度为200nm，制得所述底电极。

8.一种太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池采用权利要求1-7任一项所述的高机械稳定性的柔性太阳能电池的制备方法制备而成。