CN117156875A - 一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池，属于太阳能电池技术领域，包括自下而上依次的透明导电衬底、电子传输层、光活性层、p‑型半结晶聚合物层、笼状分子非接触钝化层、欧姆接触层和电极层。本发明通过制备CC系列材料，诱导p‑型半结晶聚合物堆叠排布，降低p‑型半结晶聚合物的带尾态面积，使光活性层与p‑型半结晶聚合物层之间的界面缺陷得以控制；欧姆接触层对笼状分子非接触钝化层进行路易斯酸分子掺杂，以提升载流子迁移率；路易斯酸分子的吸电子特性有助于p‑型半结晶聚合物层与电极层欧姆接触；致密的笼状分子非接触钝化层还能阻止路易斯酸分子渗透，保证器件稳定性，进一步提升器件光电转化效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池。
背景技术
尽管目前的单节太阳能电池已经取得26.1%的光电转换效率，但是与肖克利奎伊瑟理论效率极限还存在相当大的距离，其中最关键的因素在于载流子的非辐射复合。
非辐射复合在很大程度上由缺陷导致。进一步讲，光活性层中及界面处的缺陷态会捕获部分载流子，引起非辐射复合，降低稳态载流子密度，从而降低费米能级的劈裂，影响开路电压。目前的理论研究表明，大部分光活性层中的体缺陷为浅能级缺陷，难以引起载流子的复合。并且由于大量缺陷的存在，严重影响了太阳能电池的长期运行稳定性。
大多数的钝化思路集中在稳定钙钛矿层、电子传输层、空穴传输层、钙钛矿与电子传输层和空穴传输层等单个功能层和相关界面上，以减少载流子的非辐射复合，在提高光电转换效率的同时，提高太阳能电池的稳定性。然而，界面处的钝化方式对界面相邻两层的兼容性提出了更高的要求。特别对于以半结晶聚合物为空穴传输层的太阳能电池来说，光活性层与空穴传输层界面处的微小改变会影响半结晶聚合物的结晶过程。与此同时，该界面的钝化层溶剂与上层溶剂保持正交性，在旋涂上层溶剂时保证钝化层不被洗掉。鉴于此，一种非接触的远程界面钝化方式能在有效避免上述兼容性问题的同时，钝化缺陷，以提升太阳能电池的整体性能。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池，通过采用三层结构的空穴传输层，有效钝化其与光活性层之间的界面缺陷，提升太阳能电池的整体性能。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池，包括自下而上依次的透明导电衬底、电子传输层、光活性层、p-型半结晶聚合物层、笼状分子非接触钝化层、欧姆接触层和电极层。
进一步地，所述光活性层的材料为钙钛矿或硒化锑（Sb2Se3）。
进一步地，所述光活性层的材料还为有机光伏材料。
进一步地，所述p-型半结晶聚合物层的材料为PDCBT、P3HT、PBDB-T、PFBDB-T、PBDB-T-2F、PBDBT-2Cl、P(Cl4)BDB-T、PBDBT-T-SF、J52、J52-2F或J52-Cl。
进一步地，所述p-型半结晶聚合物层的厚度为50~400 nm。
进一步地，所述笼状分子非接触钝化层的材料为库伯笼状分子（CC）系列材料，具体为亚胺分子笼或胺基分子笼。
进一步地，所述亚胺分子笼具体为CC1、CC2或CC3，胺基分子笼具体为RCC1、RCC2或RCC3。
进一步地，所述笼状分子非接触钝化层的厚度为1~8 nm。
进一步地，所述欧姆接触层的材料为醇溶性有机路易斯酸或路易斯酸掺杂的导电聚合物。
进一步地，所述醇溶性有机路易斯酸具体为BCF、BTolF、C-BCF、Li-BCF、N-BCF或I-BCF；路易斯酸掺杂的导电聚合物具体为BCF掺杂的PTAA (聚[双(4-苯基) ( 2,4,6-三甲基苯基)胺])，或BCF掺杂的Spiro-OMeTAD（2,2′,7,7′-四（N，N-二-对甲氧基苯基胺）9,9′-螺二芴）。
进一步地，PTAA与BCF的质量比为（5~30）：1；spiro-OMeTAD与BCF的质量比为（3~30）：1。
进一步地，所述电子传输层的材料为导电良好的n型半导体材料，具体为SnO2、TiO2、ZnO、C60、PCBM和ICBA中的一种或多种的组合。
进一步地，所述透明导电衬底为透明导电玻璃，具体为FTO或ITO。
进一步地，所述电极层的材料为Au、Ag、Pt或碳。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出的基于非接触钝化的高性能太阳能电池，采用依次的p-型半结晶聚合物层、笼状分子非接触钝化层和欧姆接触层，构成三层结构的空穴传输层，有效钝化空穴传输层与光活性层之间的界面缺陷，提升太阳能电池的整体性能；
2、具体地，利用CC系列材料，在p-型半结晶聚合物层表面自组装形成致密的笼状分子层，由于笼状分子表面的氢原子与p-型半结晶聚合物接触面上的原子（如噻吩结构中的硫原子）之间存在范德华力的相互作用，退火后诱导p-型半结晶聚合物堆叠排布，进而影响p-型半结晶聚合物的导带与价带的能级分布，降低p-型半结晶聚合物的带尾态面积，对应于缺陷密度的降低，使得光活性层与p-型半结晶聚合物层之间的界面缺陷得以控制，复合中心减少，从而减少载流子的非辐射复合；由于笼状分子的载流子迁移率较低，通过在笼状分子非接触钝化层上方制备欧姆接触层，实现路易斯酸分子掺杂，提升笼状分子非接触钝化层的载流子迁移率；此外，路易斯酸分子具有吸电子特性，可以调控p-型半结晶聚合物的费米能级，实现其与电极层之间的欧姆接触，并且，致密的笼状分子非接触钝化层可以有效阻止欧姆接触层中路易斯酸分子的渗透，从而避免对光活性层产生破坏，保证了器件的稳定性，进一步提升器件的光电转化效率。
附图说明
图1为实施例1提出的基于非接触钝化的高性能太阳能电池的剖面结构示意图；
图2为实施例1中涉及的P3HT的材料分子结构式；
图3为实施例1中涉及的PDCBT的材料分子结构式；
图4为实施例1中涉及的PBDB-T的材料分子结构式；
图5为实施例1中涉及的PFBDB-T的材料分子结构式；
图6为实施例1中涉及的PBDB-T-2F的材料分子结构式；
图7为实施例1中涉及的PBDBT-2Cl的材料分子结构式；
图8为实施例1中涉及的P(Cl4)BDB-T的材料分子结构式；
图9为实施例1中涉及的PBDBT-T-SF的材料分子结构式；
图10为实施例1中涉及的J52的材料分子结构式；
图11为实施例1中涉及的J52-2F的材料分子结构式；
图12为实施例1中涉及的J52-Cl的材料分子结构式；
图13为实施例1中涉及的CC1的材料分子结构式；
图14为实施例1中涉及的CC2的材料分子结构式；
图15为实施例1中涉及的CC3的材料分子结构式；
图16为实施例1中涉及的RCC1的材料分子结构式；
图17为实施例1中涉及的RCC2的材料分子结构式；
图18为实施例1中涉及的RCC3的材料分子结构式；
图19为实施例1中涉及的醇溶性有机路易斯酸的材料分子结构式；其中，（a）为BCF；（b）为BTolF；（c）为C-BCF；（d）为Li-BCF；（e）为N-BCF；（f）为I-BCF；
图20 为实施例1、实施例2和实施例3制备的基于非接触钝化的高性能太阳能电池，与对比例1、对比例2和对比例3制备的太阳能电池的J-V性能对比曲线；
图21 为实施例1、实施例2和实施例3制备的基于非接触钝化的高性能太阳能电池，与对比例1和对比例3制备的太阳能电池在光照氮气氛围下的稳定性测试对比曲线；
附图中各标记的说明如下：
1-透明导电衬底，2-电子传输层，3-光活性层，4- p-型半结晶聚合物层，5-笼状分子非接触钝化层，6-欧姆接触层，7-电极层。
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，以下结合附图与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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池，结构如图1所示，包括自下而上依次的透明导电衬底1、电子传输层2、光活性层3、p-型半结晶聚合物层4、笼状分子非接触钝化层5、欧姆接触层6和电极层7。
所述光活性层3的材料为钙钛矿，具体为Cs0.05MA0.1FA Pb (I0.85 Br0.15)3。
所述p-型半结晶聚合物层4的材料可以为P3HT、PDCBT、PBDB-T、PFBDB-T、PBDB-T-2F、PBDBT-2Cl、P(Cl4)BDB-T、PBDBT-T-SF、J52、J52-2F或J52-Cl，其对应的材料分子结构式分别如图2~图12所示。本实施例具体采用PDCBT。
所述笼状分子非接触钝化层5的材料为CC系列材料，具体为亚胺分子笼或胺基分子笼；其中，亚胺分子笼具体为CC1、CC2或CC3，对应的材料分子结构式分别如图13、图14和图15所示；胺基分子笼具体为RCC1、RCC2或RCC3，对应的材料分子结构式分别如图16、图17和图18所示。本实施例具体采用RCC3。
所述欧姆接触层6的材料为醇溶性有机路易斯酸，其对应的材料分子结构式如图19所示，具体可以为BCF、BTolF、C-BCF、Li-BCF、N-BCF或I-BCF，分别对应如图19（a）、图19（b）、图19（c）、图19（d）、图19（e）和图19（f）所示。本实施例采用的醇溶性有机路易斯酸具体为BCF。
所述电极层7的材料为金。
所述电子传输层2的材料为导电良好的n型半导体材料，具体为由SnO2和PCBM组合得到。
所述透明导电衬底1为透明导电玻璃，具体为ITO衬底。
本实施例提出的基于非接触钝化的高性能太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
步骤1. 清洗ITO衬底，使用洗涤剂和无尘布擦拭，先后在去离子水、异丙醇（IPA）中超声10 min，吹干；
步骤2. 配制SnO2溶液：将15 wt%的SnO2 纳米颗粒水分散液与去离子水、IPA以1：2：2的体积比进行比例混合；
步骤3. 配制PCBM溶液：将10 mg PCBM溶解在1 mL氯苯（CB）中；
步骤4. 配制钙钛矿前驱溶液：将2.4 mL DMSO（Dimethyl sulfoxide，二甲基亚砜）溶液和0.6 mL DMF（N,N-Dimethylformamide，N,N-二甲基甲酰胺）溶液混合均匀；
步骤5. 配制钙钛矿碘化铅（PbI2）前驱溶液：将1313.85 mg碘化铅粉末和55.05mg溴化铅（PbBr2）粉末混合，之后加入3 mL钙钛矿前驱溶液，搅拌均匀；
步骤6. 配制钙钛矿溶液：将146.2 mg 碘化甲醚（FAI）粉末、11.2 mg 溴化甲胺（MABr）粉末和10.65 mg溴化铯（CsBr）粉末混合，之后加入1.1 mL钙钛矿碘化铅前驱溶液，搅拌均匀；
步骤7. 配制PDCBT溶液：将10 mg PDCBT固体溶解在1 mL 邻二氯苯（ODCB）中，保持80 ℃使用；
步骤8. 配置RCC3溶液：将1 mg RCC3固体溶解在1 mL IPA中，震荡均匀；
步骤9. 配制BCF溶液：将 2 mg BCF固体溶解在 1 mL IPA中，震荡均匀；
步骤10. 在步骤1处理后的ITO衬底上依次旋涂并退火步骤2、步骤3、步骤6、步骤7、步骤8和步骤9配制的溶液，具体为：
SnO2溶液的旋涂条件为以4000 rpm的转速旋涂20 s，之后在150 ℃下用锡纸包裹退火20 min；
PCBM溶液的旋涂条件为以2000 rpm的转速旋涂30 s，之后在150 ℃下退火10min；
钙钛矿溶液的旋涂条件为先以2000 rpm的转速旋涂10 s，后以4000 rpm的转速旋涂20 s，并在最后14 s滴加CB，之后先在100 ℃下退火1 min，后在150 ℃下退火10 min；
PDCBT溶液的旋涂条件为以2000 rpm的转速旋涂30 s，之后在90 ℃下退火10min；
RCC3溶液的旋涂条件为以4000 rpm的转速旋涂30 s，之后在120 ℃下退火5 min；
BCF溶液的旋涂条件为以4000 rpm的转速旋涂30 s，之后在80 ℃下退火5 min；
进而得到在ITO衬底上依次制得电子传输层2、光活性层3、p-型半结晶聚合物层4、笼状分子非接触钝化层5和欧姆接触层6的器件；
步骤11. 在步骤 10 制备的器件上表面（欧姆接触层6一面）蒸镀80 nm厚的金电极层，最终制备得到基于非接触钝化的高性能太阳能电池。
实施例2
本实施例提供了一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池，与实施例1相比，区别仅在于：将步骤8配制的RCC3溶液调整为RCC2溶液，具体将1 mg RCC2固体溶解在1 mL IPA中，震荡均匀得到；之后在步骤10中将RCC2溶液以4000 rpm的转速旋涂30 s，在120 ℃下退火5 min；其余步骤完全相同。
实施例3
本实施例提供了一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池，与实施例1相比，区别仅在于：将步骤7配制的PDCBT溶液调整为P3HT溶液，具体将10 mg P3HT固体溶解在1 mL CB中；之后在步骤10中将P3HT溶液以2000 rpm的转速旋涂30 s，在90 ℃下退火10 min；其余步骤完全相同。
实施例4
本实施例提供了一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池，与实施例1相比，区别仅在于：
将电子传输层2的材料调整为TiO2，并将步骤2和步骤3调整为“将350 μL异丙醇钛、5 mL无水乙醇和50 μL的12 mol/L的盐酸（HCl）混合”，之后在步骤10中以3000 rpm的转速旋涂30 s, 在500 °C 空气中退火60 min；
将光活性层3的材料调整为硒化锑，并将步骤4~步骤6调整为“将950 mg的硒和980mg锑混合粉末加入4 mL的乙二胺与1.25 mL的乙硫醇的混合液中，在90℃加热搅拌30min”，之后在步骤10中以6000 rpm的转速旋涂30 s，再在氮气氛围中200℃初步退火1 min,400℃退火2 min；
其余步骤完全相同。
实施例5
本实施例提供了一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池，与实施例1相比，区别仅在于：
将电子传输层2的材料调整为PEDOT:PSS，并将步骤2和步骤3调整为“采用PEDOT与PSS 的质量比为1：2.5的PEDOT:PSS材料，加入去离子水中，得到质量分数为1.0 wt%~1.3wt%的PEDOT:PSS溶液”，之后在步骤10中以4000 rpm的转速旋涂30 s, 在150 °C 空气中退火10 min；
将光活性层3的材料调整为D18与Y6的给受体混合物，并将步骤4~步骤6调整为“将D18和Y6以1:1.6的质量比，溶于氯仿(CF)中，溶质浓度为11 mg/mL”，之后在步骤10中以3000 rpm的转速旋涂30 s；
其余步骤完全相同。
对比例1
本对比例提供了一种钙钛矿太阳能电池，与实施例1相比，区别仅在于：不包括步骤8配制RCC3溶液的步骤，之后在旋涂并退火PDCBT溶液和BCF溶液之间不包括旋涂并退火RCC3溶液的步骤；其余步骤完全相同。
对比例2
本对比例提供了一种钙钛矿太阳能电池，与实施例1相比，区别仅在于：不包括步骤9配制BCF溶液的步骤，之后在旋涂并退火RCC3溶液之后不包括旋涂并退火BCF溶液的步骤；其余步骤完全相同。
对比例3
本对比例提供了一种钙钛矿太阳能电池，与对比例1相比，区别仅在于：将步骤7配制的PDCBT溶液调整为P3HT溶液，具体将10 mg P3HT固体溶解在1 mL CB中；之后在步骤10中将P3HT溶液以2000 rpm的转速旋涂30 s，再在90 ℃下退火10 min；其余步骤完全相同。
为了证明实施例1、实施例2和实施例3制备的基于非接触钝化的高性能太阳能电池，与对比例1、对比例2和对比例3制备的钙钛矿太阳能电池之间存在性能差异，进行J-V性能测试和稳定性测试，具体过程如下：
在100 mW/cm2 的标准模拟太阳光下，模拟大气质量 AM1.5 的光照条件，测试实施例1、实施例2和实施例3制备的基于非接触钝化的高性能太阳能电池与对比例1、对比例2和对比例3制备的钙钛矿太阳能电池的J-V性能，对比曲线如图20所示，J-V性能的具体测试结果见表1所示：
表1. J-V性能的具体测试结果
| 光电转换效率（%） | 开路电压（V） | 短路电流密度（mA/cm2） | 填充因子（%） | |
| 实施例1 | 22.90 | 1.124 | 25.98 | 78.43 |
| 实施例2 | 22.13 | 1.119 | 25.33 | 78.04 |
| 实施例3 | 21.07 | 1.068 | 25.17 | 78.33 |
| 对比例1 | 19.44 | 1.066 | 24.68 | 73.87 |
| 对比例2 | 0.97 | 0.964 | 4.06 | 22.29 |
| 对比例3 | 18.06 | 1.022 | 25.01 | 74.16 |
在60~65℃的温度下，氮气氛围中，100 mW/cm2的卤素灯的辐照度下，对实施例1、实施例2和实施例3制备的基于非接触钝化的高性能太阳能电池与对比例1和对比例3制备的钙钛矿太阳能电池进行稳定性测试，对比曲线如图21所示。
结合图20和图21，可见实施例1和实施例2制备的基于非接触钝化的高性能太阳能电池的整体性能均优于对比例1、对比例2和对比例3制备的钙钛矿太阳能电池。
对于以PDCBT为p-型半结晶聚合物层4材料的器件的J-V性能，与实施例1相比，对比例1由于未采用笼状分子非接触钝化层5，光活性层3与p-型半结晶聚合物层4之间的界面缺陷未被有效钝化，导致开路电压较低，实施例1的开路电压提升效果显著；与实施例1相比，对比例2的短路电流密度极低，而且开路电压也较低，这是由于未设置欧姆接触层6，笼状分子非接触钝化层5的RCC3分子无法作用于光活性层3，RCC3分子的绝缘特特性阻断了空穴的传输导致，因而必须将笼状分子非接触钝化层5和欧姆接触层6配合使用。
对于以P3HT为p-型半结晶聚合物层4材料的器件的J-V性能，与实施例3相比，对比例3同样由于未采用笼状分子非接触钝化层5，光活性层3与p-型半结晶聚合物层4之间的界面缺陷未被有效钝化，导致开路电压较低，实施例3的开路电压提升效果显著。
在稳定性测试中，未采用笼状分子非接触钝化层5的对比例1和对比例3，在经历1200 h的老化测试后能量转化效率衰减超过10%；而对于采用笼状分子非接触钝化层5的实施例1、实施例2和实施例3，经历1200 h的老化测试后仅有不到5% 的能量转化效率的衰减。
综上所述，实施例1、实施例2和实施例3提出的基于非接触钝化的高性能太阳能电池可有效钝化光活性层3与p-型半结晶聚合物层4之间的界面缺陷，提升器件开路电压和光电转化效率的同时，保证器件稳定性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于非接触钝化的高性能太阳能电池，其特征在于，包括自下而上依次的透明导电衬底、电子传输层、光活性层、p-型半结晶聚合物层、笼状分子非接触钝化层、欧姆接触层和电极层。
2.根据权利要求1所述基于非接触钝化的高性能太阳能电池，其特征在于，所述光活性层的材料为钙钛矿或硒化锑。
3.根据权利要求1所述基于非接触钝化的高性能太阳能电池，其特征在于，所述光活性层的材料为有机光伏材料。
4.根据权利要求1所述基于非接触钝化的高性能太阳能电池，其特征在于，所述p-型半结晶聚合物层的材料为PDCBT、P3HT、PBDB-T、PFBDB-T、PBDB-T-2F、PBDBT-2Cl、P(Cl4)BDB-T、PBDBT-T-SF、J52、J52-2F或J52-Cl。
5.根据权利要求1所述基于非接触钝化的高性能太阳能电池，其特征在于，所述笼状分子非接触钝化层的材料为库伯笼状分子系列材料，具体为亚胺分子笼或胺基分子笼。
6.根据权利要求5所述基于非接触钝化的高性能太阳能电池，其特征在于，所述亚胺分子笼具体为CC1、CC2或CC3，胺基分子笼具体为RCC1、RCC2或RCC3。
7.根据权利要求1所述基于非接触钝化的高性能太阳能电池，其特征在于，所述欧姆接触层的材料为醇溶性有机路易斯酸或路易斯酸掺杂的导电聚合物。
8.根据权利要求7所述基于非接触钝化的高性能太阳能电池，其特征在于，所述醇溶性有机路易斯酸具体为BCF、BTolF、C-BCF、Li-BCF、N-BCF或I-BCF；路易斯酸掺杂的导电聚合物具体为BCF掺杂的PTAA，或BCF掺杂的Spiro-OMeTAD。
9.根据权利要求8所述基于非接触钝化的高性能太阳能电池，其特征在于，PTAA与BCF的质量比为5~30：1；spiro-OMeTAD与BCF的质量比为3~30：1。
10. 根据权利要求1所述基于非接触钝化的高性能太阳能电池，其特征在于，所述p-型半结晶聚合物层的厚度为50~400 nm，笼状分子非接触钝化层的厚度为1~8 nm。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |