CN116782675A - 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于太阳能光伏领域，提供了一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，所述钙钛矿太阳能电池包括埋底界面，所述埋底界面位于第一载流子传输层和钙钛矿活性层之间；或所述埋底界面位于第二载流子传输层和所述钙钛矿活性层之间；所述埋底界面由CsAc制成。由CsAc制成的埋底界面能够调节载流子传输层和钙钛矿活性层，使钙钛矿活性层质量和载流子传输层界面结构同时达到理想状态，从而提高钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和稳定性。

Description

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏领域，尤其涉及一种钙钛矿太阳能电池、一种光伏组件、一种光伏系统和一种钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池迅速发展，并一跃成为光伏行业的明星技术。目前单结钙钛矿太阳能的最高效率已经突破25.8％，相比于其理论效率，仍然存在较大的上升空间。在钙钛矿太阳能电池结构中，载流子传输层是器件中的重要组成部分，而优化空穴传输层性能是优化器件性能的有效途径。
钙钛矿太阳能电池中的载流子传输层，尤其是空穴传输层的成膜质量、元素构成和能级结构皆会对器件的性能产生较大的影响。首先，关于空穴传输层的成膜质量，较好的薄膜可以降低空穴传输层自身存在的缺陷结构，由此极大程地度降低载流子在传输过程中被捕获的风险，并提高载流子的传输和收集效率。其次，关于空穴传输层元素构成的影响，具有游离渗透能力的元素可以同时对器件结构起到埋底界面的作用，起到调节相邻功能层的作用，进而改善器件的性能。最后，关于空穴传输层的能级结构，较好的能级排列可以极大程度地降低载流子的传输势垒，提高载流子的传输效率，并使器件的效率达到理想的效果。另外，对于钙钛矿太阳能电池性能的另一大挑战是稳定性，空穴传输层的有效固定和良好改善可以明显降低钙钛矿的降解速率，提升器件的稳定性。
在常规的钙钛矿太阳能电池中通常直接使用具有磷酸锚定基团的咔唑体作为空穴传输层，如MeO-2PACz，虽然该空穴传输材料具备一定的空穴传输能力，但仅使用其作为空穴传输层(即单一的空穴传输层)并不能得到功率转换效率较好钙钛矿太阳能电池。
另外，钙钛矿太阳能电池中的“埋底界面”是指钙钛矿太阳能电池中两种材料的接触面，优秀的埋底界面能够实现高效的电子和空穴传输，从而提升太阳能电池的功率转换效率。目前现有技术中对空穴传输层的优化需要采取多种措施，其中，最重要的是选择合适的材料和制备方法，例如采用高质量的空穴传输层，或采用低温制备方法以减少材料的缺陷和氧化。这些优化手段主要着眼于改善空穴传输层本身的性能，因此比较有局限性。此外，埋底界面的制备成本也是一个问题，目前大多数制备方法都需要昂贵的材料和设备，从而增加了制备成本。
发明内容
本发明实施例提供一种钙钛矿太阳能电池，旨在调节载流子传输层和钙钛矿活性层，使钙钛矿活性层质量和载流子传输层界面结构达到理想状态，从而提高钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和稳定性。
本发明实施例是这样实现的，一种钙钛矿太阳能电池，包括埋底界面，所述埋底界面位于第一载流子传输层和钙钛矿活性层之间；或
所述埋底界面位于第二载流子传输层和所述钙钛矿活性层之间；
所述埋底界面由CsAc制成。
更进一步地，所述第一载流子传输层为电子传输层，所述第二载流子传输层为空穴传输层。
更进一步地，所述钙钛矿太阳能电池还包括界面修饰层，所述界面修饰层设置在所述空穴传输层和所述埋底界面之间；或
所述界面修饰层设置在所述空穴传输层和所述钙钛矿活性层之间。
更进一步地，所述界面修饰层由2PACz、4PACz、6PACz、Me-4PACz或MeO-2PACz制成。
更进一步地，所述界面修饰层还包括子层，所述子层由2PACz、4PACz、6PACz、Me-4PACz或MeO-2PACz制成，且所述子层的材料不同于所述界面修饰层的材料。
更进一步地，所述空穴传输层由无机材料或有机材料制成。
更进一步地，所述无机材料为NiOx、TiO2、Nb2O5、CuSCN、CuI、V2O5或Cu2O；且所述有机材料为Spiro-OMeTAD或PTAA。
更进一步地，所述埋底界面的厚度介于1nm至10nm之间。
本发明实施例还提供了一种光伏组件，包括根据本发明的钙钛矿太阳能电池。
本发明实施例还提供了一种光伏系统，包括根据本发明的光伏组件。
本发明实施例还提供了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
在基底层上制备透明导电层；
在所述透明导电层上制备空穴传输层；
制备埋底界面，所述埋底界面由CsAc制成；
制备钙钛矿活性层；
制备电子传输层；
制备金属电极。
更进一步地，所述制备方法还包括，在制备所述空穴传输层之后，并在制备所述钙钛矿活性层之前，制备界面修饰层。
更进一步地，所述界面修饰层由2PACz、4PACz、6PACz、Me-4PACz或MeO-2PACz制成。
更进一步地，所述埋底界面的厚度介于1nm至10nm之间。
由CsAc制成的埋底界面能够调节载流子传输层和钙钛矿活性层，使钙钛矿活性层质量和载流子传输层结构同时达到理想状态，即载流子传输层和钙钛矿活性层之间具有合适的能级匹配和较低的缺陷状态，由此提高钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图2是本发明实施例二提供的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图3是本发明实施例三提供的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图4是本发明实施例四提供的钙钛矿太阳能电池的制备方法流程图。
图中的附图标记：透明导电层(TCO)S1、空穴传输层(HTL)S2、界面修饰层S3、埋底界面S4、钙钛矿活性层S5、电子传输层(ETL)S6、金属电极S7。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池，如图1所示，从下到上包括：基底层S0、透明导电层S1、空穴传输层S2、埋底界面S4、钙钛矿活性层S5、电子传输层S6和金属电极S7，其中，埋底界面S4由CsAc(醋酸铯)制成。优秀的埋底界面能够实现高效的电子和空穴传输，从而提升电池的功率转换效率。所谓“埋底界面”是指钙钛矿太阳能电池中的两种材料之间的接触面，在本发明中，埋底界面S4是空穴传输层S2和钙钛矿活性层S5之间的接触面。
本实施例中的基底层S0可以由任何现有技术中合适的材料制成，如玻璃。
本实施例中，第一载流子传输层为电子传输层，且第二载流子传输层为空穴传输层，埋底界面S4位于空穴传输层S2和钙钛矿活性层S5之间。
本实施例中的透明导电层由ITO制成，在其它实施例中，还可以由FTO、IZO、AZO、ATO、IWO或ICO制成。
本实施例中的空穴传输层S2由NiOx制成。在其它实施例中，还可以由其它无机材料，如TiO2、Nb2O5、CuSCN、CuI、V2O5或Cu2O制成，还可以由有机材料，如Spiro-OMeTAD或PTAA制成。
本实施例中的钙钛矿活性层的钙钛矿材料结构通式为ABX3，其中，A选自甲胺离子、甲脒离子、苯乙胺离子、1-萘甲基胺离子和铯离子中的一个或多个；B选自Pb2+和Sn2+中的一个或多个；X选自I-、Br-、Cl-中的一个或多个。本实施例中，钙钛矿材料具体而言为FAPbI3。
本实施例中的电子传输层由TiO2制成。在其它实施例中，还可以由其它金属氧化物，如SnO2或ZnO制成，还可以由有机电子传输材料，如富勒烯及其衍生物制成，具体而言为PCBM。
本实施例中的电极是Ag电极。在其它实施例中，还可以是Au、Cu或Al电极。
在由CsAc制成的埋底界面中：Cs离子可以迁移至钙钛矿活性层层从而对钙钛矿活性层的性能进行调节；醋酸根离子可以与钙钛矿离子形成配位键，钝化钙钛矿的空位缺陷。CsAc的使用可以调节底层空穴传输层的能级结构，降低界面传输势垒。因此，由CsAc制成的埋底界面能够双重调节空穴传输层S2和钙钛矿活性层S5，使钙钛矿活性层质量和空穴传输界面结构同时达到理想状态，即空穴传输层和钙钛矿活性层之间具有合适的能级匹配和较低的缺陷状态，由此提高钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和稳定性。
实施例二
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池，如图2所示，从下到上包括：基底层S0、透明导电层S1、空穴传输层S2、界面修饰层S3、埋底界面S4、钙钛矿活性层S5、电子传输层S6和金属电极S7，其中，埋底界面S4由CsAc(醋酸铯)制成。
本实施例中的透明导电层S1由ITO制成；且钙钛矿活性层S5的钙钛矿材料为FAPbI3。
本实施例中的空穴传输层S2由NiOx制成，且本实施例中的界面修饰层S3由4PACz制成，4PACz的具体结构如下本实施例中的空穴传输层S2和界面修饰层S3共同构成了复合空穴传输层，复合空穴传输层的使用可以明显改善其空穴传输的能力，提高器件中空穴的传输和收集效率。
可以理解的是，在其它实施例中，还可以使用其它PACz类的界面修饰材料，如2PACz、6PACz、Me-4PACz、MeO-2PACz，也可以达到界面修饰的效果。
此外，使用由CsAc制成的埋底界面双重调节复合空穴传输层和钙钛矿活性层，使钙钛矿活性层质量和空穴传输界面结构同时达到理想状态，即空穴传输层和钙钛矿活性层之间具有合适的能级匹配和较低的缺陷状态，由此提高钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和稳定性。
实施例三
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池，如图3所示，从下到上包括：基底层S0、透明导电层S1、空穴传输层S2、界面修饰层S3、钙钛矿活性层S5、埋底界面S4、电子传输层S6和金属电极S7，其中，埋底界面S4由CsAc(醋酸铯)制成。
本实施例中，第一载流子传输层为电子传输层，且第二载流子传输层为空穴传输层，埋底界面S4位于电子传输层S6和钙钛矿活性层S5之间。
与上述实施例二类似，本实施例中的界面修饰层S3也是由4PACz制成，且空穴传输层S2由NiOx制成。本实施例中的空穴传输层S2和界面修饰层S3共同构成了复合空穴传输层，复合空穴传输层的使用可以明显改善其空穴传输的能力，提高器件中空穴的传输和收集效率。
与上述实施例二的不同之处在于，埋底界面S4和钙钛矿活性层S5的位置互换了。在本实施例中，载流子传输层为电子传输层S6，即埋底界面S4位于钙钛矿活性层S5和电子传输层S6之间。在这种情况下，埋底界面S4起到钝化钙钛矿活性层S5的作用。具体而言，埋底界面S4的存在能改善钙钛矿活性层的结晶质量，使载流子的产生和传输速率提升，提高载流子的收集效率，提升器件的功率转换效率。
实施例四
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，如图4所示，该制备方法包括以下步骤：
1)制备透明导电层
通过溅射法制备透明导电层，本实施例中的透明导电层由ITO制成。
2)制备空穴传输层
通过旋涂法制备空穴传输层，本实施例中的空穴传输层由NiOx制成。具体而言，制备空穴传输层包括如下步骤：将NiO纳米颗粒溶解在去离子水或无水乙醇中，配成1～20mg/ml的NiO纳米颗粒溶液；在1000～5000r/min的转速下旋涂NiO纳米颗粒溶液10～60s；清洗后以100～300℃退火10～60min。
在其它实施例中，还可以通过磁控溅射制备空穴传输层。
3)制备界面修饰层
通过旋涂法制备界面修饰层，本实施例中的界面修饰层由4PACz制成。
在其它实施例中，还可以通过现有技术中任何合适的方法，如浸泡法制备界面修饰层。
4)制备埋底界面
通过旋涂法制备埋底界面，本实施例中的埋底界面由CsAc制成。将1～10mg的CsAc溶解在醇溶液中，形成CsAc溶液，随后以2000～4000r/min的转速旋涂于基底表面，并在100℃的条件下加热10min，以获得埋底界面。
在其它实施例中，还可以通过浸泡法制备埋底界面。
5)制备钙钛矿活性层
先制备钙钛矿前驱体溶液，再通过旋涂法制备钙钛矿活性层。具体而言，在DMF和DMSO混合溶剂(4:1v/v)中制备1.6mol/L的FAPbI3钙钛矿前驱体溶液，取35μL的钙钛矿前驱体溶液滴加在覆盖有空穴传输层和透明导电层的基底层上。首先以1000rpm/min的速度旋涂10s，然后以5000rpm/min的速度旋涂30s。在旋涂25s时，再滴加20mL的乙醚溶液，随后在热板上150℃退火10min。
在其它实施例中，还可以通过浸泡法或真空蒸镀法制备钙钛矿活性层。
6)制备电子传输层
通过旋涂法制备电子传输层。将SnO2纳米颗粒分散在去离子水中，形成浓度约为15％SnO2水溶液，并以4000rpm/min的速度旋转涂覆30s，薄膜在120℃退火1h。
7)制备金属电极
通过蒸镀法沉积Ag电极。
最终获得的钙钛矿太阳能电池器件结构如图2所示，其中，空穴传输层和界面修饰层共同构成了复合空穴传输层。
实施例五
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
1)制备透明导电层
通过溅射法制备透明导电层，本实施例中的透明导电层由ITO制成。
2)制备空穴传输层
通过旋涂法制备空穴传输层，本实施例中的空穴传输层由NiOx制成。具体而言，制备空穴传输层包括如下步骤：将NiO纳米颗粒溶解在去离子水或无水乙醇中，配成1～20mg/ml的NiO纳米颗粒溶液；在1000～5000r/min的转速下旋涂NiO纳米颗粒溶液10～60s；清洗后以100～300℃退火10～60min。
3)制备界面修饰层
通过旋涂法制备界面修饰层，本实施例中的界面修饰层由4PACz制成。
在其它实施例中，界面修饰层还包括子层，子层由2PACz、4PACz、6PACz、Me-4PACz或MeO-2PACz制成，且所述子层的材料不同于所述界面修饰层的材料。例如当界面修饰层由4PACz制成时，所述子层由2PACz、6PACz、Me-4PACz或MeO-2PACz制成。
4)制备钙钛矿活性层
先制备钙钛矿前驱体溶液，再通过旋涂法制备钙钛矿活性层。具体而言，在DMF和DMSO混合溶剂(4:1v/v)中制备1.6mol/L的FAPbI3钙钛矿前驱体溶液，取35μL的钙钛矿前驱体溶液滴加在覆盖有空穴传输层和透明导电层的基底层上。首先以1000rpm/min的速度旋涂10s，然后以5000rpm/min的速度旋涂30s。在旋涂25s时，再滴加20mL的乙醚溶液，随后在热板上150℃退火10min。
5)制备埋底界面
通过旋涂法制备埋底界面，本实施例中的埋底界面由CsAc制成。将1～10mg的CsAc溶解在醇溶液中，形成CsAc溶液，随后以2000～4000r/min的转速旋涂于基底表面，并在100℃的条件下加热10min，以获得埋底界面。
6)制备电子传输层
通过旋涂法制备电子传输层。将SnO2纳米颗粒分散在去离子水中，形成浓度约为15％SnO2水溶液，并以4000rpm/min的速度旋转涂覆30s，薄膜在120℃退火1h。
7)制备金属电极
通过蒸镀法沉积Ag电极。
与实施例四的不同之处在于，本实施例中钙钛矿活性层S5和埋底界面S4的制备顺序调换了，而且最终获得的钙钛矿太阳能电池如图3所示。
实施例六
本实施例提供了现有技术中的钙钛矿太阳能电池(对比例1)与根据本发明的钙钛矿电池的性能对比。具体的结果如表1所示。
对比例1
一种钙钛矿太阳能电池，从下到上包括：基底层、透明导电层、空穴传输层、钙钛矿活性层、电子传输层和金属电极。对比例1中各个层的材料与实施例一相同。将样品在AM1.5G，100mW/cm2光照下测试电池的J-V性能曲线，并得出如下参数：开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)、填充因子(FF)、光电转换效率(PCE)。
表1.根据对比例1、实施例一和二的钙钛矿太阳能电池的性能测试结果
Voc(V) Jsc(mA/cm2) FF(％) PCE(％)
对比例1 0.98 21 72 14.8
实施例一 1.05 23 75 18.1
实施例二 1.12 24 80 21.5
从表1中的结果可见，与没有埋底界面的钙钛矿太阳能电池相比，包括由CsAc制成的埋底界面的钙钛矿太阳能电池的性能有明显提升。另外，与包括单一的空穴传输层的钙钛矿太阳能电池(实施例一)相比，包括复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池(实施例二)能更进一步地提升钙钛矿电池的性能。尤其是，由CsAc制成的埋底界面与复合空穴传输层合并使用，使钙钛矿活性层质量和空穴传输界面结构同时达到理想状态，提高钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括埋底界面，所述埋底界面位于第一载流子传输层和钙钛矿活性层之间；或
所述埋底界面位于第二载流子传输层和所述钙钛矿活性层之间；
所述埋底界面由CsAc制成。
2.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第一载流子传输层为电子传输层，所述第二载流子传输层为空穴传输层。
3.如权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，还包括界面修饰层，所述界面修饰层设置在所述空穴传输层和所述埋底界面之间；或
所述界面修饰层设置在所述空穴传输层和所述钙钛矿活性层之间。
4.如权利要求3所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述界面修饰层由2PACz、4PACz、6PACz、Me-4PACz或MeO-2PACz制成。
5.如权利要求4所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述界面修饰层还包括子层，所述子层由2PACz、4PACz、6PACz、Me-4PACz或MeO-2PACz制成，且所述子层的材料不同于所述界面修饰层的材料。
6.如权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层由无机材料或有机材料制成。
7.如权利要求6所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述无机材料为NiOx、TiO2、Nb2O5、CuSCN、CuI、V2O5或Cu2O；且所述有机材料为Spiro-OMeTAD或PTAA。
8.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述埋底界面的厚度介于1nm至10nm之间。
9.一种光伏组件，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的钙钛矿太阳能电池。
10.一种光伏系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的光伏组件。
11.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在基底层上制备透明导电层；
在所述透明导电层上制备空穴传输层；
制备埋底界面，所述埋底界面由CsAc制成；
制备钙钛矿活性层；
制备电子传输层；
制备金属电极。
12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，还包括，在制备所述空穴传输层之后，并在制备所述钙钛矿活性层之前，制备界面修饰层。
13.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述界面修饰层由2PACz、4PACz、6PACz、Me-4PACz或MeO-2PACz制成。
14.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述埋底界面的厚度介于1nm至10nm之间。
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