CN116669504A - 一种表面平整的CsPbBr3钙钛矿薄膜太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池及其制备方法，所述电池自下而上依次包括：透明电极层、第一传输层、表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层、第二传输层和金属电极层。本发明通过雾气生长的CsPbBr₃钙钛矿薄膜，能够降低CsPbBr₃表面缺陷，提高表面平整度，从而改善第二传输层的形貌，减少CsPbBr₃钙钛矿和传输层间的电子空穴复合，提升CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池的光电转换效率。

Description

一种表面平整的CsPbBr3钙钛矿薄膜太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池及其制备方法。

背景技术

近年来，新型钙钛矿薄膜太阳电池因其带隙可调(1.2-2.3eV)、光吸收系数高、能量转换效率高(25.7％)、制造成本低等优点，受到越来越多的关注与研究。尤其是基于金属Cs以及卤化铅的全无机钙钛矿因为其优异的热稳定性以及超低的成本和其简单的制备工艺等诸多有点受到国内外科研工作者越来越多的青睐。

在诸多中无机钙钛矿材料中，CsPbBr₃由于其超高的禁带宽度(>2.3eV)所以有着最优异的稳定性而备受关注。

但现有方法制备的CsPbBr₃钙钛矿太阳电池效率偏低，主要是电池的填充因子(FF)低，造成这种现象的原因是CsPbBr₃钙钛矿表面缺陷多、平整度差，导致沉积在其上的传输层形貌不好，界面复合多，传输效率低。以上原因限制了CsPbBr₃太阳电池在半透明、叠层领域的应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池，所述电池自下而上依次包括：透明电极层、第一传输层、表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层、第二传输层和金属电极层。

在本发明的一个实施例中，所述第一传输层和第二传输层为电子传输层、空穴传输层中的任一种且不相同。

在本发明的一个实施例中，所述电子传输层采用n型半导体材料；所述空穴传输层采用p型半导体材料。

本发明的有益效果：

本发明通过在加热过程中用雾化水溶液处理钙钛矿表面，能够让CsPbBr₃表面分解又瞬间重构，从而大大减少表面缺陷，改善表面平整度，减少界面复合，提高光转换效率。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池制备方法示意图；

图3是本发明实施例提供的两种表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池示意图，所述电池自下而上依次包括：

透明电极层1、第一传输层2、表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层3、第二传输层4和金属电极层5。

示例如，所述透明电极层的材料采用氧化铟锡ITO，氟掺杂锡氧化物FTO，掺铝氧化锌AZO等透明氧化物，具有高透光率以及低电阻特性。电极材料可以采用金(Au)/银(Ag)等贵金属材料。

需要说明的是，本发明所述CsPbBr₃钙钛矿吸光层3通过雾气处理制备得到。雾化处理能够降低CsPbBr₃表面缺陷，改善表面平整度，从而改善第二传输层的形貌，减少CsPbBr₃钙钛矿和传输层间的电子空穴复合，提升电池的光电转换效率，可应用于光伏建筑一体化、硅叠层电池的顶电池等。另外，雾气化学沉积法可在常压以及较低温度下进行。

可选的，所述第一传输层和第二传输层为电子传输层、空穴传输层中的任一种且不相同。

示例如，第一传输层为电子传输层，则第二传输层为空穴传输层；第一传输层为空穴传输层，则第二传输层为电子传输层。

可选的，所述电子传输层采用n型半导体材料；所述空穴传输层采用p型半导体材料。

n型半导体材料，示例如，氧化钛(TiO₂)，氧化锡(SnO₂)，氧化锌(ZnO)等金属氧化物，富勒烯(PCBM)等有机物。

p型半导体材料，示例如，2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-OMeTAD)，3-己基噻吩(P3HT),聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)等有机材料，氧化镍(NiO_x),氧化钼(MoO₃)，硫氰酸亚铜(CuSCN)等无机材料。

可选的，CsPbBr₃钙钛矿吸光层为无机CsPbBr₃(Eg>2.3eV)。

综上，本发明提供雾化处理能够降低CsPbBr₃表面缺陷，改善表面平整度，从而改善第二传输层的形貌，减少CsPbBr₃钙钛矿和传输层间的电子空穴复合，提升电池的光电转换效率，可应用于光伏建筑一体化、硅叠层电池的顶电池等。

实施例二

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池制备方法示意图，所述方法包括：

步骤1：通过溶液旋涂法，在透明电极层上沉积第一传输层。

示例如，所述透明电极层的材料采用氧化铟锡ITO，氟掺杂锡氧化物FTO，掺铝氧化锌AZO等透明氧化物，具有高透光率以及低电阻特性。电极材料可以采用金(Au)/银(Ag)等贵金属材料。

步骤2：通过两步水溶液旋涂法，在第一传输层上生长CsPbBr₃钙钛矿吸光层。

可选的，所述步骤2包括：

步骤2-1：在第一传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，得到钙钛矿前驱体层，并对钙钛矿前驱体层进行第一退火处理。

步骤2-2：在退火后的钙钛矿前驱体层上旋涂CsBr溶液，并进行第二退火处理，以在第一传输层上生长CsPbBr₃钙钛矿吸光层。

示例如，本发明在所述第一传输层上以2000rpm的转速旋涂钙钛矿前驱体溶液，旋涂时间为30s，然后90℃退火30min，制备得到钙钛矿前驱体层。在所述钙钛矿前驱体层上以2000rpm的转速旋涂CsBr溶液，旋涂时间为30s，然后在250℃退火5min，形成钙钛矿层

可选的，CsPbBr₃钙钛矿吸光层为无机CsPbBr₃(Eg>2.3eV)。

步骤3：在CsPbBr₃钙钛矿吸光层表面喷洒雾化溶液，以得到表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层。

可选的，雾化溶液为去离子水溶液。

示例如，异丙醇或甲醇。雾化颗粒直径<5μm微粒占比约为65％，雾气量≥2mL/min，雾化处理时间为30min，同时处理温度为250℃。

可选的，所述第一传输层和第二传输层为电子传输层、空穴传输层中的任一种且不相同。

示例如，第一传输层为电子传输层，则第二传输层为空穴传输层；第一传输层为空穴传输层，则第二传输层为电子传输层。

可选的，所述电子传输层采用n型半导体材料；所述空穴传输层采用p型半导体材料。

n型半导体材料，示例如，氧化钛(TiO₂)，氧化锡(SnO₂)，氧化锌(ZnO)等金属氧化物，富勒烯(PCBM)等有机物。

p型半导体材料，示例如，2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-OMeTAD)，3-己基噻吩(P3HT),聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)等有机材料，氧化镍(NiO_x),氧化钼(MoO₃)，硫氰酸亚铜(CuSCN)等无机材料。

步骤4：通过溶液旋涂法，在表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层上沉积第二传输层。

步骤5：在第二传输层上生长金属电极层。

本发明能够采用热蒸发或者磁控溅射的方式，生长金属电极层。

可选的，金属电极层的生长条件为1E-4Pa，100w，薄膜厚度为100nm。

综上，本发明有益效果：

1、本发明中的处理溶液主要成分为水溶液，对环境友好。

2、通过雾气生长的CsPbBr₃钙钛矿薄膜，能够降低CsPbBr₃表面缺陷，改善表面平整度，从而改善第二传输层的形貌，减少CsPbBr₃钙钛矿和传输层间的电子空穴复合，提升CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池的光电转换效率。

3、本发明通过雾化处理，能够利用莱顿弗罗斯特效应(液体不会润湿炙热的表面，而仅仅在其上形成一个蒸气层的现象)，阻止大量的水侵入钙钛矿层进入膜内，同时还能保证表面反应的溶液量充足。

4、本发明与现有技术相比，适用于大面积或大规模的太阳电池制备，能够降低成本。

实施例三

参见图3a，示出了一种以FTO导电玻璃为透明电极层，Spiro-OMeTAD为空穴传输层，氧化锡(SnO₂)为电子传输层的表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池，去离子水溶液为雾化溶液。其制备方法如下：

步骤1：通过溶液旋涂法，在透明电极层上沉积第一传输层。

将透明FTO导电玻璃衬底先后用去污剂，去离子水，丙酮以及无水乙醇分别超声清洗15分钟，然后用氮气流风干。

将氧化锡溶液用去离子水以1:3的比例稀释备用。将FTO导电玻璃衬底UV-ozone处理15分钟，然后在FTO上旋涂氧化锡溶液，转速为3000rpm，旋涂时间30s，然后150℃退火30分钟，结晶成膜，形成n型电子传输层。

步骤2：通过两步水溶液旋涂法，在第一传输层上生长CsPbBr₃钙钛矿吸光层。

在已经制备好n型电子传输层的衬底上继续以2000rpm的转速旋涂钙钛矿前驱体溶液(PbBr₂溶液，溶剂为DMF，DMF：二甲基甲酰胺),旋涂30s，然后90℃退火30min。接着继续旋涂CsBr水溶液，2000rpm，30s，然后250℃退火5min。

步骤3：在CsPbBr₃钙钛矿吸光层表面喷洒雾化溶液，以得到表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层。

将制备好CsPbBr₃钙钛矿薄膜的片子放入腔室，将腔室放置在管式炉石英管内加热中心处，将管式炉升温至250℃，用超声雾化器(颗粒直径<5μm微粒占比约为65％，雾气量≥2mL/min)雾化去离子水溶液通入腔室内(氮气为载气，流量为0.5m³/h)，处理时间为30min。

步骤4：通过溶液旋涂法，在表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层上沉积第二传输层.

将已经配好的Spiro-OMeTAD溶液先以1000rpm转速，5s旋涂时间的条件，再以4000rpm转速，40s旋涂时间的条件旋涂在CsPbBr₃钙钛矿吸光层上，在干燥的氮气氛围中阴干静置两分钟，使其氧化一天。

步骤5：在第二传输层上生长金属电极层。

在已经制备好p型空穴传输层的衬底上继续以热蒸发技术生长一层100nm的Ag(Au)，制备条件为：生长压力为1E-4Pa，生长速率为0.5得到导电电极。

实施例四

参见图3b，示出了一种以透明FTO导电玻璃为衬底，NiO_x为空穴传输层材料，PCBM为电子传输层的表面平整的CsPbBr₃钙钛矿太阳电池。10％的异丙醇去离子水溶液为雾化溶液，其制备方法如下：

步骤1：通过溶液旋涂法，在透明电极层上沉积第一传输层。

将透明FTO导电玻璃衬底先后用去污剂，去离子水，丙酮以及无水乙醇分别超声清洗15分钟，然后用氮气流风干。

将已经清洗好的透明FTO导电玻璃衬底UV-ozone处理15分钟，将提前制备好的氧化镍溶液以3000rpm的转速，30s旋涂时间旋涂在FTO衬底上，然后250℃退火45min，结晶成膜。

步骤2：通过两步水溶液旋涂法，在第一传输层上生长CsPbBr₃钙钛矿吸光层。

在已经制备好p型空穴传输层的衬底上继续以2000rpm的转速旋涂钙钛矿前驱体溶液(PbBr₂的DMF溶液)，旋涂30s，然后90℃退火30min。接着继续旋涂CsBr水溶液，转速2000rpm，旋涂时间30s，然后250℃退火5min。

步骤3：在CsPbBr₃钙钛矿吸光层表面喷洒雾化溶液，以得到表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层。

将制备好CsPbBr₃钙钛矿薄膜的片子放入腔室，将腔室放置在管式炉石英管内加热中心处，将管式炉升温至250℃，用超声雾化器(颗粒直径<5μm微粒占比约为65％，雾气量≥2mL/min)雾化异丙醇溶液通入腔室内(氮气为载气，流量为0.5m³/h)，处理时间为30min。

步骤4：通过溶液旋涂法，在表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层上沉积第二传输层。

将已经配好的PCBM溶液以2000rpm的转速旋涂在雾化生长的CsPbBr₃钙钛矿吸光层上，旋涂时间为30s，在干燥的氮气氛围中阴干静置两分钟，得到n型电子传输层。

步骤5：在第二传输层上生长金属电极层。

在已经制备好n型电子传输层的衬底上继续以热蒸发技术生长一层100nm的Ag(Au)，制备条件为：生长压力为1E-4Pa，生长速率为0.5得到导电电极。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池，其特征在于，所述电池自下而上依次包括：

透明电极层1、第一传输层2、表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层3、第二传输层4和金属电极层5。

2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述第一传输层和第二传输层为电子传输层、空穴传输层中的任一种且不相同。

3.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，所述电子传输层采用n型半导体材料；

所述空穴传输层采用p型半导体材料。

4.一种表面平整的CsPbBr₃钙钛矿薄膜太阳电池制备方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：通过溶液旋涂法，在透明电极层上沉积第一传输层；

步骤2：通过两步水溶液旋涂法，在第一传输层上生长CsPbBr₃钙钛矿吸光层；

步骤3：在CsPbBr₃钙钛矿吸光层表面喷洒雾化溶液，以得到表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层；

步骤4：通过溶液旋涂法，在表面平整的CsPbBr₃钙钛矿吸光层上沉积第二传输层；

步骤5：在第二传输层上生长金属电极层。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2-1：在第一传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，得到钙钛矿前驱体层，并对钙钛矿前驱体层进行第一退火处理；

步骤2-2：在退火后的钙钛矿前驱体层上旋涂CsBr溶液，并进行第二退火处理，以在第一传输层上生长CsPbBr₃钙钛矿吸光层。