CN117355198A - 钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法,制备方法包括:依次在钙钛矿层上沉积硫化铅层、有机电子传输层和缓冲层后退火。本发明通过在钙钛矿层和有机电子传输层之间添加硫化铅层,在不破坏钙钛矿电池效率和稳定性的前提下,提升钙钛矿层和有机电子传输层之间的结合及附着力,并轻微改善钙钛矿太阳能电池稳定性;时添加了退火工艺,改善有机电子传输层和缓冲层之间的附着力,同时通过退火使PbS下渗至钙钛矿层和上渗至有机电子传输层,进一步提升钙钛矿太阳能电池膜层之间的附着力,最终使得电池的效率更高。
Description
技术领域
本发明专利属于钙钛矿电池领域,具体涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池产业是清洁能源技术产业体系的重要组成部分,其开发利用始终是学界和业界关注的热点。太阳能电池发展已经更新至第三代太阳能电池,第一代太阳能电池为当前使用范围范围最广,生产规模最大的晶硅太阳能电池,其技术成熟且发电转换效率尚可,但受限于单晶硅的制备成本较高及多晶硅制备的生产工艺复杂。第二代太阳能电池在此环境下应需而生,其使用材料较少且易大规模生产大面积组件,例如碲化镉(CdTe)、砷化镓(GaAs)及铜铟镓硒(CIGS)等,但受限于转换效率较低,并且伴随着光裂解现象,第二代太阳能电池并未得到广泛应用。在经历了第一代太阳能电池和第二代太阳能电池之后,第三代太阳能电池逐渐走上了舞台,其主要以染料敏化太阳能电池、有机化学太阳能电池为代表,具有成本较低、制备容易、材料来源广泛、具备大面积生产可行性等优点被人们所青睐。
在第三代太阳能电池中,钙钛矿太阳能电池由于具备较高的光电转换效率及较低的制备成本备受关注,其分为正式和反式两种结构,对于反式钙钛矿太阳能电池来说,更好的稳定性、更容易制备柔性器件及叠层器件使其相较于正式结构更适合商业化应用。目前在高效率钙钛矿电池的制备中,一般会使用有机电子传输层材料,如PCBM、C60等,并在C60后沉积制备SnO2和电极,但钙钛矿太阳能电池本身结构稳定性较差,膜层之间结合较差,附着力较差,因此制备完成的钙钛矿太阳能电池的稳定性会较差;此外钙钛矿太阳能电池膜层之间的附着力较差,容易脱膜,不利于后续层压封装工艺,对成品钙钛矿太阳能电池组件的外观也有明显影响。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题在于现有钙钛矿太阳能电池膜层之间的附着力较差,容易脱膜,不利于后续层压封装工艺的缺陷,从而提供一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:
本发明提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法,包括:依次在钙钛矿层上沉积硫化铅层、有机电子传输层和缓冲层后退火。
进一步地,所述退火温度为100~180℃,退火时间为0.5~2h。
所述硫化铅层的厚度为1~5nm。
构成所述有机电子传输层的材料包括C60或富勒烯衍生物中的至少一种,所述有机电子传输层的厚度为5~50nm。
构成所述缓冲层的材料包括SnO2,厚度为7nm~25nm。
所述硫化铅层和所述有机电子传输层均采用真空蒸镀的方式沉积。
真空蒸镀时,真空度不高于3×10-6Torr;
在400~550℃,以的沉积速率沉积所述硫化铅层;然后在400~550℃,以/>的沉积速率沉积所述有机电子传输层。
沉积所述硫化铅层前还包括在导电玻璃层上依次沉积空穴传输层和钙钛矿层的步骤。构成所述导电玻璃层的材料包括氟掺杂二氧化锡(FTO)导电玻璃或氧化铟锡(ITO)导电玻璃中的至少一种;构成所述空穴传输层的材料包括NiOx或MoOx中的至少一种;钙钛矿层为现有钙钛矿太阳能电池使用的钙钛矿材料,本申请不做具体的限制,例如可以是FAPbI3、CsPbI3等。
退火后还包括沉积背电极的步骤,构成所述背电极的材料包括Cu、Al、Ag、Ni、Co、Mo或Au中的至少一种。
本发明还提供一种钙钛矿太阳能电池,由上述制备方法制得。
本发明技术方案,具有如下优点:
(1)本发明通过在钙钛矿层和有机电子传输层之间添加硫化铅层,在不破坏钙钛矿电池效率和稳定性的前提下,提升钙钛矿层和有机电子传输层之间的结合及附着力,并轻微改善钙钛矿太阳能电池稳定性;同时添加了退火工艺,改善有机电子传输层和缓冲层之间的附着力,同时通过退火使PbS下渗至钙钛矿层和上渗至有机电子传输层,进一步提升钙钛矿太阳能电池膜层之间的附着力,此外在薄膜电池,填充因子是一个很重要的参数,每一个膜层之间结合的越好,填充因子就会更高,最终使得电池的效率更高。
(2)本发明采用硫化铅层,其中的铅化物可以更好的跟下面的钙钛矿结合,而富S环境可以提升传输电子,提高电流和填充因子,且硫化铅使用安全价格便宜,适宜大规模生产。
(3)本发明通过在钙钛矿层和有机电子传输层之间添加硫化铅层,并在制备方法中添加了退火工艺,从而提升钙钛矿太阳能电池各膜层之间的附着力,改善钙钛矿太阳能电池层压封装的脱膜问题,提升器件美观;提升钙钛矿太阳能电池的抗光老化和抗高温老化的能力,从而提升钙钛矿太阳能电池的寿命;引入了无机化合物硫化铅作为中间层,从而使钙钛矿太阳能电池的有机电子传输层具备适当阻挡水汽侵蚀的能力,从而进一步提升钙钛矿太阳能电池的寿命,有利于应用于大规模的商业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例1中得到的钙钛矿太阳能电池的结构示意图;
图2为本申请实施例1中得到的钙钛矿太阳能电池的SEM图;
图3为本申请实施例1中得到的钙钛矿太阳能电池封装后的照片;
图4为本申请对比例1中得到的钙钛矿太阳能电池的SEM图;
图5为本申请对比例1中得到的钙钛矿太阳能电池封装后的照片。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明,并不局限于所述最佳实施方式,不对本发明的内容和保护范围构成限制,任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品,均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者,按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。
实施例1
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池,结构如图1所示,包括:FTO导电玻璃层、空穴传输层、钙钛矿层、硫化铅层、有机电子传输层、缓冲层和背电极。
具体制备方法如下:
1、在经过清洗的FTO导电玻璃上沉积NiOx空穴传输层。
2、在沉积完的无机空穴传输层上,采用刮涂方法沉积钙钛矿薄膜电池层,并进行退火。
3、将制备好的钙钛矿电池片放入PVD真空蒸镀设备过度腔,抽真空至8.0×10-5Pa,蒸发源腔室真空度优于3×10-6Torr时,PbS坩埚升温至530摄氏度,使沉积速率稳定于将电池片送入蒸发源腔室进行沉积,沉积2nm硫化铅层。在沉积完PbS后,将C60坩埚升温至540℃,使沉积速率稳定于/>沉积14nmC60,至此电子传输层沉积完毕。
4、使用原子层沉积(ALD)沉积设备沉积7nmSnO2缓冲层。
5、将沉积好缓冲层的电池片放置热板,在140℃进行退火1h。
6、利用磁控溅射将150nm SITO/Cu沉积在缓冲层表面,得到所述钙钛矿太阳能电池。
如图2所示,为该钙钛矿太阳能电池的SEM图,可以看到,各膜层之间结合到了一起。如图3所示,为该钙钛矿太阳能电池封装后的结果,没有脱模现象。
对比例1
本对比例提供一种钙钛矿太阳能电池,和实施例1的唯一区别在于,不沉积PbS层,不进行退火。
如图4所示,为该钙钛矿太阳能电池的SEM图,可以看到,各膜层之间没有得到结合。如图5所述,为该钙钛矿太阳能电池封装后的结果,可以明显看到出现了脱模的问题。
对比例2
本对比例提供一种钙钛矿太阳能电池,和实施例1的唯一区别在于,不进行退火。
对比例3
本对比例提供一种钙钛矿太阳能电池,和实施例1的唯一区别在于,不沉积PbS层。
对比例4
本对比例将PbS更换为PbO,MgF2以及WS2电池均出现短路问题无法测试出效率。
试验例
(1)对实施例1和对比例1-3提供的钙钛矿太阳能电池进行性能测试,测试方法如下:
光电转换效率测试:利用太阳光模拟器发射一个标准太阳光(光谱AM1.5G,入射功率100mW/cm2,温度25℃)。
测试结果如表1所示:
表1实施例和对比例的性能测试
从上表可以看到,实施例1沉积了PbS结构并进行退火的钙钛矿太阳能组件效率可以达到17.61%,明显高于沉积PbS不退火、不沉积PbS不退火和不沉积PbS退火的钙钛矿太阳能组件。
(2)对实施例1和对比例2进行老化测试,老化条件为在85℃老化720h后,分别测试老化前后的性能,结果如表2所示:
表2实施例和对比例的老化性能测试
从上表可以看到,老化前实施例1和对比例2效率差别不大,但是老化后的实施例1效率为12.21%,明显高于对比例2的10.11%,说明经过含有硫化铅和退火处理的钙钛矿太阳能电池经过了老化之后的效率相较于正常的钙钛矿太阳能电池更加稳定,效率衰退的更低。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法,其特征在于,包括:依次在钙钛矿层上沉积硫化铅层、有机电子传输层和缓冲层后退火。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述退火温度为100~180℃,退火时间为0.5~2h。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述硫化铅层的厚度为1-5nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法,其特征在于,构成所述有机电子传输层的材料包括C60或富勒烯衍生物中的至少一种,所述有机电子传输层的厚度为5~50nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法,其特征在于,构成所述缓冲层的材料包括SnO2,厚度为7nm~25nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法,其特征在于,所述硫化铅层和所述有机电子传输层均采用真空蒸镀的方式沉积。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,真空蒸镀时,真空度不超过3×10- 6Torr;
在400~550℃,以的沉积速率沉积所述硫化铅层;然后在400~550℃,以/>的沉积速率沉积所述有机电子传输层。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法,其特征在于,沉积所述硫化铅层前还包括在导电玻璃层上依次沉积空穴传输层和钙钛矿层的步骤。
9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法,其特征在于,退火后还包括沉积背电极的步骤。
10.一种钙钛矿太阳能电池,其特征在于,由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得。
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PB01 | Publication | ||
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