CN116234329A

CN116234329A - 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法

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Publication number: CN116234329A
Application number: CN202310187251.4A
Authority: CN
Inventors: 王兴涛; 赵志国; 陈传科; 周养盈; 秦校军; 赵东明
Original assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute; Huaneng Renewables Corp Ltd
Current assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute; Huaneng Renewables Corp Ltd
Priority date: 2023-02-21
Filing date: 2023-02-21
Publication date: 2023-06-06

Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，提供了一种钙钛矿太阳能电池，包括：基底；设置在所述基底表面的第一电荷传输层；设置在所述第一电荷传输层表面的隧穿层；设置在所述隧穿层表面的钙钛矿层；设置在所述钙钛矿层表面的第二电荷传输层；设置在所述第二传输层表面的电极。本发明利用氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅作为隧穿层，一方面可以隔绝钙钛矿吸光层与第一电荷传输层的接触，既可以避免钙钛矿中的离子与传输层反应，钝化钙钛矿埋底缺陷，又可以避免传输层中产生的光生空穴氧化钙钛矿，提高器件稳定性；另一方面，利用氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅折射率的不同，可以有效减少太阳光的反射、增加光利用率，提高器件光电转化效率。

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，尤其涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

钙钛矿太阳能电池具有光电转换效率高、成本低、制备简单等优势，成为最具商业化潜能的新型光伏技术。但是，钙钛矿吸光层本身对水、氧气等敏感，而且其内部离子迁移容易与传输层材料发生反应，最终影响钙钛矿太阳能电池的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，本发明提供的钙钛矿太阳能电池具有较好的稳定性和光电转化效率。

本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，包括：

基底；

设置在所述基底表面的第一电荷传输层；

设置在所述第一电荷传输层表面的隧穿层；

设置在所述隧穿层表面的钙钛矿层；

设置在所述钙钛矿层表面的第二电荷传输层；

设置在所述第二电荷传输层表面的电极。

优选的，所述隧穿层的材质选自氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅。

优选的，所述隧穿层的厚度为1～5nm。

优选的，所述基底的材质选自FTO透明导电玻璃或ITO透明导电玻璃。

优选的，所述第一电荷传输层的材质选自二氧化钛和/或二氧化锡，厚度为10～40nm。

优选的，所述钙钛矿层的材质选自卤化物钙钛矿，厚度为200～500nm。

优选的，所述第二电荷传输层的材质选自Spiro-OMeTAD或PTAA，厚度为100～300nm。

优选的，所述电极的材质选自金属电极、导电氧化物透明电极、碳电极、石墨电极中的至少一种。

本发明提供了一种上述技术方案所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法包括：

在基底表面制备第一电荷传输层；

在所述第一电荷传输层表面制备隧穿层；

在所述隧穿层表面制备钙钛矿层；

在所述钙钛矿层表面制备第二电荷传输层；

在所述第二电荷传输层表面制备电极。

优选的，所述隧穿层的制备方法选自PECVD、溅射或真空蒸镀。

本发明通过在钙钛矿吸光层与传输层之间设置一层隧穿层，隔离钙钛矿层与传输层，避免反应，增加整个器件的稳定性。本发明利用氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅作为隧穿层，一方面可以隔绝钙钛矿吸光层与第一电荷传输层的接触，既可以避免钙钛矿中的离子与传输层反应，钝化钙钛矿埋底缺陷，又可以避免传输层中产生的光生空穴氧化钙钛矿，提高器件稳定性；另一方面，利用氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅折射率的不同，可以有效减少太阳光的反射、增加光利用率，提高器件光电转化效率。

附图说明

图1为本发明实施例制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。

图2为实施例1和对比例1制备的钙钛矿太阳能电池的电流-电压曲线。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。

本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，如图1所示，包括：

基底；

设置在所述基底表面的第一电荷传输层；

设置在所述第一电荷传输层表面的隧穿层；

设置在所述隧穿层表面的钙钛矿层；

设置在所述钙钛矿层表面的第二电荷传输层；

设置在所述第二传输层表面的电极。

在本发明中，第一电荷传输层设置于基底之上，位于钙钛矿太阳能电池的迎光面，隧穿层设置于第一电荷传输层与钙钛矿吸光层之间，为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种，第二电荷传输层位于钙钛矿吸光层之上，电极设置于第二电荷传输层上面。本发明适用于钙钛矿单结太阳能电池、钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池以及钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池。

在本发明中，所述基底的材质优选选自FTO透明导电玻璃或ITO透明导电玻璃；所述基底的方阻优选为7～15Ωsq^–1，更优选为7Ωsq^–1。

在本发明中，所述第一电荷传输层的材质优选选自二氧化钛和/或二氧化锡；所述第一电荷传输层的厚度优选为10～40nm，更优选为20～30nm，最优选为25nm。

在本发明中，所述隧穿层的材质优选选自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种；所述隧穿层的厚度优选为1～5nm，更优选为2～4nm，最优选为2nm。

在本发明中，所述钙钛矿层的材质优选为卤化物钙钛矿；所述卤化物钙钛矿的晶体结构优选为ABX₃；A选自有机阳离子或者无机阳离子中的至少一种，更优选选自甲脒离子(FA)、甲胺离子(MA)、铯离子(Cs)中的至少一种；B选自二价金属离子，更优选选自铅离子(Pb)、二价锡离子(Sn)中的至少一种；X选自卤素离子，更优选选自碘离子(I)、溴离子(Br)、氯离子(Cl)中的至少一种。

在本发明中，所述钙钛矿层的厚度优选为200～500nm，更优选为300～400nm，最优选为350nm。

在本发明中，所述第二电荷传输层的材质优选选自Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)和/或PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])；所述第二电荷传输层的厚度优选为100～300nm，更优选为150～250nm，最优选为200nm。

在本发明中，所述电极的材质优选选自金属电极、导电氧化物透明电极、碳电极、石墨电极中的至少一种；所述电极的厚度优选为50～150nm，更优选为80～120nm，最优选为100nm。

在本发明中，所述钙钛矿太阳能电池优选选自钙钛矿单结太阳能电池、钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池以及钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池。

本发明提供了一种上述技术方案所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：

在基底表面制备第一电荷传输层；

在所述第一电荷传输层表面制备隧穿层；

在所述隧穿层表面制备钙钛矿层；

在所述钙钛矿层表面制备第二电荷传输层；

在所述第二电荷传输层表面制备电极。

在本发明中，优选对所述基底进行清洗后处理；所述清洗优选依次采用丙酮、异丙醇和去离子水进行清洗；所述处理优选利用紫外-臭氧进行处理；所述清洗后优选进行干燥再进行处理；所述处理的时间优选为15～25分钟，更优选为20分钟。

在本发明中，所述第一电荷传输层的制备方法优选选自化学浴沉积法、原子层沉积法或旋涂法，更优选为化学浴沉积法。

在本发明中，所述第一电荷传输层的制备方法优选包括：

将基底浸渍在第一电荷层前驱体溶液中加热，然后取出冲洗、退火，得到第一电荷传输层。

在本发明中，所述第一电荷层前驱体优选为四氯化钛；所述第一电荷层前驱体溶液中的溶剂优选为水。在本发明中，所述第一电荷传输层前驱体溶液优选为四氯化钛溶液；所述四氯化钛溶液的制备方法优选包括：

将四氯化钛逐滴滴加到冰水中，混合均匀，得到四氯化钛溶液。

在本发明中，所述四氯化钛合水的体积比优选为(2～5)：200，更优选为(3～4)：200。

在本发明中，所述加热优选在烘箱中进行；所述加热的温度优选为65～75℃，更优选为70℃；所述加热的时间优选为60～120分钟，更优选为80～100分钟，最优选为90分钟。

在本发明中，所述冲洗优选采用水和乙醇冲洗干净，所述水优选为去离子水，所述乙醇优选为无水乙醇。

在本发明中，所述退火的温度优选为170～190℃，更优选为180℃；所述退火的时间优选为30～60分钟，更优选为40～50分钟。

在本发明中，所述隧穿层的制备方法优选选自PECVD(等离子体增强化学气相沉积)、溅射或真空蒸镀，更优选为真空蒸镀。

在本发明中，所述隧穿层的制备方法优选包括：

将隧穿层材料采用真空蒸镀法沉积在第一电荷传输层表面。

在本发明中，所述隧穿层材料优选选自氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅。

在本发明中，所述沉积过程中的真空度优选为10^-7Torr；沉积速率优选为

更优选为/>

最优选为/>

在本发明中，所述钙钛矿层的制备方法优选选自旋涂法、刮涂法或狭缝涂布法，更优选为旋涂法。

在本发明中，所述钙钛矿层的制备方法优选包括：

将钙钛矿溶液在隧穿层表面进行旋涂后退火，得到钙钛矿层。

在本发明中，所述钙钛矿溶液中的溶质优选选自碘化甲脒、碘化铯、碘化铅、氯化甲胺、溴化铅等；所述钙钛矿溶液中的溶剂优选选自DMF(N,N-二甲基甲酰胺)、DMSO(二甲基亚砜)中的一种或几种；所述钙钛矿溶液的摩尔浓度优选为0.7～1.5mol/L，更优选为1.2～1.3mol/L。

在本发明中，优选将钙钛矿溶液滴在隧穿层表面进行旋涂；所述旋涂过程中的转速优选为2500～3500rpm，更优选为2800～3200rpm，最优选为3000rpm；所述旋涂的时间优选为30～50s，更优选为35～45s，最优选为50s；所述旋涂过程中优选在第10s滴加反溶剂，所述反溶剂优选为乙醚，更优选为无水乙醚。

在本发明中，所述退火的温度优选为130～170℃，更优选为140～160℃，最优选为150℃；所述退火的时间优选为20～40分钟，更优选为25～35分钟，最优选为30分钟。

在本发明中，所述第二传输层的制备方法优选为旋涂法。

在本发明中，所述第二传输层的制备方法优选包括：

将前驱体溶液在钙钛矿层上旋涂，得到第二传输层。

在本发明中，所述前驱体溶液中的溶质优选选自Spiro-OMeTAD、4-叔丁基吡啶、双三氟甲烷磺酰亚胺锂溶液(520mg mL^-1，溶解在乙腈中)；所述前驱体溶液中的溶剂优选选自氯苯；所述前驱体溶液的质量浓度优选为Spiro-OMeTAD：50～100mg mL^-1，优选为60～90mgmL^-1，更优选为70～80mg mL^-1；4-叔丁基吡啶：30～50μL mL^-1，优选为35～45μL mL^-1，更优选为40μLmL^-1；双三氟甲烷磺酰亚胺锂溶液：20～30μL mL^-1，优选为22～26μL mL^-1，更优选为23μL mL^-1。

在本发明中，所述旋涂的转速优选为2500～3500rpm，更优选为2800～3200rpm，最优选为3000rpm；所述旋涂的时间优选为20～40s，更优选为25～35s，最优选为30s。

在本发明中，所述电极的制备方法优选选自真空蒸镀法或溅射法，更优选为真空蒸镀法。

在本发明中，所述电极的制备方法优选包括：

在第二电荷传输层上通过真空蒸镀制备得到电极。

在本发明中，所述真空蒸镀过程中的真空度优选低于10^-4Pa，沉积速率优选为

更优选为/>

最优选为/>

本发明利用氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅作为隧穿层，一方面可以隔绝钙钛矿吸光层与第一电荷传输层的接触，既可以避免钙钛矿中的离子与传输层反应，钝化钙钛矿埋底缺陷，又可以避免传输层中产生的光生空穴氧化钙钛矿，提高器件稳定性；另一方面，利用氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅折射率的不同，可以有效减少太阳光的反射、增加光利用率，提高器件光电转化效率。

实施例1

依次用丙酮、异丙醇、去离子水清洗FTO玻璃衬底，吹干后利用紫外-臭氧处理20分钟。将4.5mL四氯化钛逐滴滴加到200mL冰水中，混合均匀制备四氯化钛溶液，将FTO玻璃放入四氯化钛溶液中，置于70℃烘箱中60分钟，取出后用去离子水和无水乙醇冲洗干净，180℃退火30分钟。利用真空蒸镀的方法，在二氧化钛上沉积2nm氧化硅隧穿层，真空度为10^- ⁷Torr，沉积速率

在氮气手套箱中制备FAPbI₃钙钛矿前驱体溶液(钙钛矿前驱体溶液中的溶质是FAI、PbI₂和MACl，PbI₂与FAI摩尔比为1：1，MACl与PbI₂的摩尔比为0.35：1)，浓度为1.4mol/L，溶剂为体积比为9：1的DMF和DMSO混合液。取50微升钙钛矿前驱体溶液滴在氧化硅隧穿层上，5000rpm旋涂15s，在第10s滴加150微升无水乙醚，150℃退火20分钟。将72mg Spiro-OMeTAD和39微升4-叔丁基吡啶溶解在1mL氯苯中，加入23微升520mg mL^-1的双三氟甲烷磺酰亚胺锂的乙腈溶液，混合均匀，3000rpm旋涂30s制备在钙钛矿层上。最后，通过真空蒸镀的方法，制备银电极，真空度低于10^-4Pa，沉积速率/>

得到钙钛矿太阳能电池。

本发明实施例1制备的钙钛矿太阳能电池中第一电荷传输层为20nm，隧穿层为2nm，钙钛矿层为400nm，第二电荷传输层为200nm，银电极为70nm。

实施例2

按照实施例1的方法制备得到钙钛矿太阳能电池，与实施例1的区别在于，氧化硅隧穿层的厚度为20nm。

对比例1

按照实施例1的方法制备得到钙钛矿太阳能电池，与实施例1的区别在于，未制备隧穿层。

性能检测

室温条件下，利用3A太阳光模拟器，在100mW/cm²光强下，测试实施例和对比例制备的电池的光电转换效率，电池有效面积为0.09cm²。测试数据如图2所示，可知，实施例1制备得到的电池的短路电流密度25.05mA/cm²，开路电压1.154V，填充因子80.66％，光电转换效率23.34％；实施例2制备的电池的隧穿层过厚，电池失去光电转换性能；对比例1制备的电池的短路电流密度25.05mA/cm²，开路电压1.129V，填充因子74.47％，光电转换效率21.07％。

本发明通过在钙钛矿吸光层与传输层之间设置一层隧穿层，隔离钙钛矿层与传输层，避免反应，增加整个器件的稳定性。本发明利用氮化硅或者氮氧化硅作为隧穿层，一方面可以隔绝钙钛矿吸光层与第一电荷传输层的接触，既可以避免钙钛矿中的离子与传输层反应，钝化钙钛矿埋底缺陷，又可以避免传输层中产生的光生空穴氧化钙钛矿，提高器件稳定性；另一方面，利用氮化硅或者氮氧化硅折射率的不同，可以有效减少太阳光的反射、增加光利用率，提高器件光电转化效率。

虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本申请的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本申请的限制。

Claims

1.一种钙钛矿太阳能电池，包括：

基底；

设置在所述基底表面的第一电荷传输层；

设置在所述第一电荷传输层表面的隧穿层；

设置在所述隧穿层表面的钙钛矿层；

设置在所述钙钛矿层表面的第二电荷传输层；

设置在所述第二电荷传输层表面的电极。

2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述隧穿层的材质选自氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅。

3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述隧穿层的厚度为1～5nm。

4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述基底的材质选自FTO透明导电玻璃或ITO透明导电玻璃。

5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第一电荷传输层的材质选自二氧化钛和/或二氧化锡，厚度为10～40nm。

6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿层的材质选自卤化物钙钛矿，厚度为200～500nm。

7.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第二电荷传输层的材质选自Spiro-OMeTAD或PTAA，厚度为100～300nm。

8.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电极的材质选自金属电极、导电氧化物透明电极、碳电极、石墨电极中的至少一种。

9.一种权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法包括：

在基底表面制备第一电荷传输层；

在所述第一电荷传输层表面制备隧穿层；

在所述隧穿层表面制备钙钛矿层；

在所述钙钛矿层表面制备第二电荷传输层；

在所述第二电荷传输层表面制备电极。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述隧穿层的制备方法选自PECVD、溅射或真空蒸镀。