CN117545334A - 一种表面钝化的钙钛矿薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域,具体涉及一种表面钝化的钙钛矿薄膜及其制备方法和应用。该表面钝化的钙钛矿薄膜包括钙钛矿薄膜,所述钙钛矿薄膜的表面覆盖有二硫化碳钝化层。本发明通过二硫化碳气氛对钙钛矿薄膜进一步钝化修饰,形成二硫化碳钝化的钙钛矿薄膜,其中硫原子不仅能与钙钛矿表面未配位的铅离子进行键合,形成Pb‑S键,而且能够有效地稳定碘离子,抑制碘空位的形成,减少钙钛矿表面缺陷。与此同时,经过二硫化碳处理过后的钙钛矿薄膜具有较好的湿度稳定性;除此之外,经过二硫化碳处理后的钙钛矿薄层具有更适配的能级,其组成的太阳能电池更有利于电荷的传输,有效的提高了太阳能电池的光电转换效率和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域,具体涉及一种表面钝化的钙钛矿薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
尽管有机-无机金属杂化钙钛矿太阳能电池的最高认证效率从最初的3.8%增长到了25.6%,但是,由于电池制备过程中引入的缺陷,使电池的认证效率无法达到理论的光电转化效率。为了提高电池的实际光电转换效率,目前的研究主要围绕缺陷钝化来展开,缺陷钝化是指通过引入钝化分子(有机卤化物盐、聚合物和离子液体等)覆盖在钙钛矿表面来降低钙钛矿表面的缺陷态,减少非辐射复合中心,提高电池的光电转化效率及稳定性。
目前,引入钝化分子主要通过将钝化分子溶解后旋涂在钙钛矿表面,形成钝化层,然而,一方面,通过旋涂法制备的钝化层,由于制备过程中钝化层的均匀性难以保持完全一致,进而会导致缺陷不完全钝化;另一方面,溶解钝化分子的溶剂(异丙醇、氯仿)也会重构钙钛矿表面,引入一些不确定的缺陷,从而降低太阳能电池的可重复性;除此之外,钝化分子通过离子键、氢键等方式与钙钛矿表面键合,由于离子键、氢键的键能较弱,导致器件的稳定性较低。
发明内容
为改善现有技术的不足,本发明提供一种表面钝化的钙钛矿薄膜,使用二硫化碳气氛对所述的钙钛矿薄膜进一步钝化修饰,形成二硫化碳钝化的钙钛矿薄膜,其中硫原子不仅能与钙钛矿表面未配位的铅离子进行键合,形成Pb-S键,而且能够有效地稳定碘离子,抑制碘空位的形成,减少钙钛矿表面缺陷。与此同时,经过二硫化碳处理过后的钙钛矿薄膜具有较好的湿度稳定性;除此之外,经过二硫化碳处理后的钙钛矿薄层具有更适配的能级,其组成的太阳能电池更有利于电荷的传输,有效的提高了太阳能电池的光电转换效率和稳定性。
本发明采用的技术方案为:
一种表面钝化的钙钛矿薄膜,包括钙钛矿薄膜,所述钙钛矿薄膜的表面覆盖有二硫化碳钝化层,所述钙钛矿薄膜包括具有AaMbXc的钙钛矿晶格的钙钛矿材料,其中A选自CH3NH3 +、HC(NH2)2 +、Cs+和Rb+中的至少一种;M选自Pb2+、Sn2+中的一种;X为I-、Br-或者I-、Br-共有;
所述a、b、c为实数。
根据本发明的实施方案,所述钙钛矿薄膜的厚度为200-900nm,优选所述钙钛矿薄膜的厚度为300-800nm,进一步优选地,所述钙钛矿薄膜的厚度为400-600nm。
本发明还提供一种上述表面钝化的钙钛矿薄膜的制备方法,包括如下步骤:
将钙钛矿薄膜置于二硫化碳气氛中加热。
根据本发明的实施方案,所述加热的温度为100-150℃,优选所述加热的温度为110-140℃,进一步优选地,所述加热的温度为120-130℃。
根据本发明的实施方案,所述加热的时间为5-60min,优选所述加热的时间为10-40min,进一步优选地,所述加热的时间为15-30min。
根据本发明的实施方案,所述二硫化碳气氛中二硫化碳的体积为1-10μL,优选所述二硫化碳气氛中二硫化碳的体积为3-8μL,进一步优选地,所述二硫化碳气氛中二硫化碳的体积为4-6μL。
根据本发明的实施方案,将所述钙钛矿薄膜置于二硫化碳气氛中加热之前,还包括如下步骤:将所述钙钛矿薄膜预热。
根据本发明的实施方案,所述预热的温度为80-120℃,优选所述预热的温度为90-110℃。
根据本发明的实施方案,所述预热的时间为1-20min,优选所述预热的时间为3-15min,进一步地,所述预热的时间为5-10min。
根据本发明的实施方案,将所述钙钛矿薄膜预热之前,还包括如下步骤:制备所述钙钛矿薄膜。
根据本发明的实施方案,制备所述钙钛矿薄膜包括如下步骤:
S1.配置钙钛矿前驱体溶液;
S2.将钙钛矿前驱体溶液设置于基底上形成钙钛矿薄膜。
根据本发明的实施方案,步骤S1之前还包括处理基底的步骤:将基底分别在去离子水、丙酮及乙醇中超声清洗15min,然后将其置于紫外臭氧机中处理15min。
根据本发明的实施方案,所述基底包括但不限于硅片、石英片、玻璃片、高分子聚合物(PET)基底、氧化铟锡导电玻璃(ITO)片、掺杂氟的导电玻璃(FTO)片、石墨烯基底、云母片以及金属基底等。
根据本发明的实施方案,步骤S2中将钙钛矿前驱体溶液设置于基底上形成钙钛矿薄膜包括如下步骤:将钙钛矿前驱体溶液通过旋涂、浸泡、滴加等方式设置于基底上形成钙钛矿薄膜,例如将钙钛矿前驱体溶液旋涂在基底上形成钙钛矿薄膜。
一种上述表面钝化的钙钛矿薄膜在太阳能电池中的应用。
一种太阳能电池,其包括上述表面钝化的钙钛矿薄膜。
根据本发明的实施方案,所述太阳能电池还包括导电基底、电子传输层、空穴传输层和金属电极,所述导电基底、电子传输层、表面钝化的钙钛矿薄膜、空穴传输层和金属电极顺次设置。
根据本发明的实施方案,所述导电基底为ITO导电玻璃、FTO导电玻璃或透明导电基底中的一种或几种。
根据本发明的实施方案,所述电子传输层可以是n型无机半导体或n型有机半导体。
根据本发明的实施方案,所述n型无机半导体或者n型有机半导体包括但不限于:TiO2、介孔TiO2、SnO2或者ZnO-ZnS中的至少一种,所述电子传输层优选为SnO2、TiO2/SnO2、ZnO-ZnS/介孔TiO2和TiO2/介孔TiO2中的一种,例如为SnO2。
根据本发明的实施方案,所述电子传输层的厚度为10-120nm,优选所述电子传输层的厚度为30-100nm,进一步地,所述电子传输层的厚度为50-80nm。
根据本发明的实施方案,所述空穴传输层包括空穴传输材料,所述空穴传输材料为Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)、PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])、P3HT(3-己基噻吩的聚合物)或CuSCN中的一种,例如为Spiro-OMeTAD。
根据本发明的实施方案,所述空穴传输层还包括添加剂,优选所述添加剂为叔丁基吡啶(tBP)、Li盐(LiTFSI)及Co盐(FK209)中的至少一种。
根据本发明的实施方案,所述金属电极为金、银、铜或铝中的一种。
根据本发明的实施方案,所述金属电极的厚度为30-200nm,优选所述金属电极的厚度为50-150nm,进一步优选地,所述金属电极的厚度为80-100nm。
一种上述太阳能电池的制备方法,包括以下步骤:在导电基底上依次设置电子传输层、表面钝化的钙钛矿薄膜、空穴传输层和金属电极。
根据本发明的实施方案,在所述导电基底上设置电子传输层之前,还包括如下步骤:将导电基底切割成固定尺寸,并进行刻蚀和清洗。
根据本发明的实施方案,所述清洗包括如下步骤:将导电基底在溶剂中超声清洗,吹干溶剂后进行紫外臭氧杀菌处理。
根据本发明的实施方案,在导电基底上设置电子传输层包括如下步骤:将电子传输层材料溶于溶剂,通过旋涂法,喷雾热解法或化学浴法设置在导电基底上。
根据本发明的实施方案,在电子传输层上设置表面钝化的钙钛矿薄膜包括如下步骤:先将钙钛矿前驱体溶液设置在电子传输层上,形成钙钛矿薄膜;再将钙钛矿薄膜至于二硫化碳气氛中加热。
根据本发明的实施方案,所述钙钛矿前驱体溶液的制备方法包括如下步骤:将金属碘化物、阳离子卤化物、卤化铅、甲基卤化铵溶解在有机溶剂中混合均匀。
根据本发明的实施方案,所述金属碘化物包括PbX2和/或SnX2。
根据本发明的实施方案,所述阳离子碘化物包括FAI、MAI、RbX、CsX中的一种或几种。
根据本发明的实施方案,所述有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、γ-丁内酯(GBL)及2-甲氧基乙醇(2-Me)中的一种或几种。
根据本发明的实施方案,所述混合的温度为25-70℃,优选所述混合的温度为35-60℃。
根据本发明的实施方案,所述混合的时间为30-300min,优选所述混合的时间为60-200min,进一步优选地,所述混合的时间为100-150min。
根据本发明的实施方案,在表面钝化的钙钛矿薄膜上设置空穴传输层包括如下步骤:将空穴传输材料覆盖在表面钝化的钙钛矿薄膜上。
根据本发明的实施方案,所述覆盖包括通过旋涂法或者真空蒸镀法将空穴传输材料的溶液覆盖到二硫化碳钝化的钙钛矿吸收层薄膜上,形成空穴传输层。
根据本发明的实施方案,形成空穴传输层后,还包括如下步骤:在空穴传输层上设置P2道,例如通过激光划刻P2道。
根据本发明的实施方案,在空穴传输层上设置金属电极包括如下步骤:通过真空蒸镀的方法将金属沉积到空穴传输层上,形成金属电极。
根据本发明的实施方案,设置金属电极后还包括如下步骤:在金属电极上设置P3道,例如通过激光划刻P3道。
本发明还提供一种钙钛矿模组,所述钙钛矿模组包括若干上述太阳能电池。
根据本发明的实施方案,若干所述太阳能电池相互串联。
本发明还提供一种钙钛矿模组的制备方法,包括如下步骤:将所述太阳能电池组装形成钙钛矿模组。
有益效果
(1)本发明所提供的制备表面钝化的钙钛矿薄膜的方法,使用二硫化碳气氛对钙钛矿薄膜进一步钝化修饰,形成二硫化碳钝化的钙钛矿薄膜,其中硫原子不仅能与钙钛矿表面未配位的铅离子进行键合,形成Pb-S键,而且能够有效地稳定碘离子,抑制碘空位的形成,减少钙钛矿表面缺陷,有效钝化钙钛矿表面及晶界处的缺陷、减少钙钛矿薄膜非复合辐射中心,调整太阳能电池能力,提高太阳能电池效率;同时,表面钝化的钙钛矿薄膜中,钝化层二硫化碳能够隔离水汽的接触,有效的提高湿稳定性。
(2)本发明的钝化方法操作简单,可以规模化生产能够有效避免溶剂法带来的弊端,此类方法能够处理大面积钙钛矿薄膜,此类制备技术的开发为钙钛矿模组的制备提供一种新策略。
附图说明
图1为未修饰的钙钛矿薄膜与实施例1中二硫化碳处理后的钙钛矿薄膜的拉曼光谱对比图;
图2为未修饰的钙钛矿薄膜与实施例1中二硫化碳处理后的钙钛矿薄膜的稳态荧光对比图;
图3为对比例1未修饰的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池与实施例1中二硫化碳处理后的钙钛矿薄膜的太阳能电池的光电转换效率对比图;
图4为对比例2未修饰的钙钛矿薄膜制备的太阳能模组与实施例4二硫化碳处理后的钙钛矿薄膜的太阳能模组的光电转换效率对比图;
图5为对比例1未修饰的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池、对比例2未修饰的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池模组、实施例1二硫化碳处理后的钙钛矿薄膜的太阳能电池、实施例4二硫化碳处理后的钙钛矿薄膜的太阳能电池模组的稳定性测试对比图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的制备方法和应用做更进一步的详细说明。应当理解,下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明,而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明,以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品,或者可以通过已知方法制备。
实施例1
(1)将FTO(氟掺杂的二氧化锡)导电玻璃切割成15mm x 15mm大小的玻璃基底,并使用激光进行刻蚀。将刻蚀好的玻璃基底依次在去离子水、丙酮及乙醇中超声清洗15min,然后置于紫外臭氧机中处理15min,得到处理好的FTO基底;
(2)将SnO2胶体(15wt%)稀释至2.67wt%,以3000rpm/s的速度旋涂至处理好的FTO基底上,随后在空气气氛中150℃退火30分钟,得到FTO/SnO2的基底;
(3)将PbI2和FAI(2-Methyl-3-furoic acid iMidazolide,碘化甲脒)按照1.09:1的摩尔比溶解至体积比8:1的DMF(二甲基甲酰胺)和DMSO(二甲基亚砜)混合溶剂中,在室温条件下连续搅拌3小时,使其完全溶解,得到1.4M的FAPbI3钙钛矿前驱体溶液;将钙钛矿前驱体溶液旋涂到FTO/SnO2的基底上,转速为5000rpm/s,时间为30秒,得到的中间相薄膜在100℃加热5分钟,生成黑色钙钛矿相的FAPbI3薄膜;
(4)将生成的黑色钙钛矿相FAPbI3薄膜置于二硫化碳气氛中(1μL溶剂加热得到),继续在100℃加热55分钟,得到二硫化碳处理的黑色钙钛矿相的FAPbI3薄膜(以下简称钝化的钙钛矿薄膜);
(5)通过旋涂法将空穴传输层溶液(72.3mg Spiro-OMeTAD,28.8μL tBP 17.5μLLiTFSI溶解于1mL氯苯中)旋涂到钝化的钙钛矿薄膜表面,控制转速为4000rpm/s,旋涂时间为30s,形成空穴传输层;
(6)将粒径为100nm的Au通过真空蒸镀的方法沉积到器件膜上,并通过特定模具使Au的蒸镀面积为80mm2,形成金属电极,得到钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池;
其中,步骤(3)、(4)、(5)和(6)均在手套箱中完成。
实施例2
(1)将将FTO/致密ZnO-ZnS层/介孔TiO2层导电材料切割成15mm x 15mm大小的玻璃基底,并使用激光进行刻蚀。将刻蚀好的基底依次在去离子水、丙酮及乙醇中超声清洗15min,然后将其置于紫外臭氧机中处理15min,得到处理好的将FTO/致密ZnO-ZnS层/介孔TiO2层的基底;
(2)将FTO/致密ZnO-ZnS层/介孔TiO2层的基底在空气氛围550℃温度条件下退火30分钟,待温度降至室温后将基底转移至手套箱;
(3)将PbI2和FAI按照1.09:1的摩尔比溶解至体积比8:1的DMF和DMSO混合溶剂中,在室温条件下连续搅拌3小时,使其完全溶解,得到1.4M的FAPbI3钙钛矿前驱体溶液;将钙钛矿前驱体溶液旋涂到FTO/致密ZnO-ZnS层/介孔TiO2层的基底上,转速为5000rpm/s,时间为30秒,得到的中间相薄膜在100℃加热5分钟,生成黑色钙钛矿相的FAPbI3薄膜;
(4)将生成的黑色钙钛矿相FAPbI3薄膜置于二硫化碳气氛中(1μL溶剂加热得到),继续在100℃加热55分钟,得到二硫化碳处理的黑色钙钛矿相的FAPbI3薄膜(以下简称钝化的钙钛矿薄膜);
(5)在通过旋涂法将空穴传输层溶液(72.3mg Spiro-OMeTAD,28.8μL tBP 17.5μLLiTFSI溶解于1mL氯苯中)旋涂到钝化的钙钛矿薄膜表面,控制转数为4000rpm/s,旋涂时间为30s,形成空穴传输层,得到器件膜;
(6)将粒径为100nm的Au通过真空蒸镀的方法沉积到器件膜上,并通过特定模具使Au的蒸镀面积为80mm2,形成金属电极,得到钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池;
其中,步骤(3)、(4)、(5)和(6)均在手套箱中完成。
实施例3
(1)将FTO(氟掺杂的二氧化锡)导电玻璃切割成15mm x 15mm大小的玻璃基底,并使用激光进行刻蚀。将刻蚀好的玻璃基底依次在去离子水、丙酮及乙醇中超声清洗15min,然后将其置于紫外臭氧机中处理15min,得到处理好的FTO玻璃;
(2)将SnO2胶体(15wt%)稀释至2.67wt%,以3000rpm/s的速度旋涂至处理好的FTO玻璃上,随后在空气气氛中150℃退火30分钟,得到FTO/SnO2基底;
(3)将PbI2和FAI按照1.09:1的摩尔比溶解至体积比8:1的DMF和DMSO混合溶剂中,在室温条件下连续搅拌3小时,使其完全溶解,得到1.4M的FAPbI3钙钛矿前驱体溶液;将钙钛矿前驱体溶液刮涂到FTO/SnO2基底上,其中刮刀高度与基底距离为100μm,刮涂速度为8mm/s,得到的中间相薄膜在100℃加热5分钟,生成黑色钙钛矿相的FAPbI3薄膜;
(4)将生成的黑色钙钛矿相FAPbI3薄膜置于二硫化碳气氛中(1μL溶剂加热得到),继续在100℃加热55分钟,得到二硫化碳处理的黑色钙钛矿相的FAPbI3薄膜(以下简称钝化的钙钛矿薄膜);
(5)在通过旋涂法将空穴传输层溶液(72.3mg Spiro-OMeTAD,28.8μL tBP 17.5μLLiTFSI溶解于1mL氯苯中)旋涂到钝化的钙钛矿薄膜表面,控制转数为4000rpm/s,旋涂时间为30s,得到器件膜;
(6)将粒径为100nm的Au通过真空蒸镀的方法沉积到器件膜上,并通过特定模具使Au的蒸镀面积为80mm2,形成金属电极,得到钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池;
其中,步骤(3)、(4)、(5)和(6)均在手套箱中完成。
实施例4
(1)将FTO(氟掺杂的二氧化锡)导电玻璃切割成50mm x 50mm大小的玻璃基底,并使用激光进行刻蚀。用激光划刻模组的P1道,将刻蚀好的玻璃基底依次在去离子水、丙酮及乙醇中超声清洗15min,然后将其置于紫外臭氧机中处理15min,得到处理好的FTO玻璃;
(2)将SnO2胶体(15wt%)稀释至2.67wt%以3000rpm/s的速度旋涂至处理好的FTO玻璃上,随后在空气气氛中150℃退火30分钟,得到FTO/SnO2的基底;
(3)将PbI2和FAI按照1.09:1的摩尔比溶解至体积比8:1的DMF和DMSO混合溶剂中,在室温条件下连续搅拌3小时,使其完全溶解,得到1.4M的FAPbI3钙钛矿前驱体溶液;将钙钛矿前驱体溶液旋涂到FTO/SnO2基底上,转速为5000rpm/s,时间为30秒,得到的中间相薄膜在100℃加热5分钟,生成黑色钙钛矿相的FAPbI3薄膜;
(4)将生成的黑色钙钛矿相FAPbI3薄膜置于二硫化碳气氛中(1μL溶剂加热得到),继续在100℃加热55分钟,得到二硫化碳处理的黑色钙钛矿相的FAPbI3薄膜(以下简称钝化的钙钛矿薄膜);
(5)在通过旋涂法将空穴传输层溶液(72.3mg Spiro-OMeTAD,28.8μL tBP 17.5μLLiTFSI溶解于1mL氯苯中)旋涂到钝化的钙钛矿薄膜表面,控制转数为4000rpm/s,旋涂时间为30s;用激光划刻模组的P2道,得到器件膜;
(6)将粒径为100nm的Au通过真空蒸镀的方法沉积到器件膜上,并通过特定模具使Au的蒸镀面积为80mm2,形成金属电极,用激光划刻模组的P3道,得到钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池;
步骤(3)、(4)、(5)和(6)均在手套箱中完成。
(7)将上述太阳能电池组装,形成钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能模组。
实施例5
(1)将FTO(氟掺杂的二氧化锡)导电玻璃切割成15mm x 15mm大小的玻璃基底,并使用激光进行刻蚀。将刻蚀好的玻璃基底依次在去离子水、丙酮及乙醇中超声清洗15min,然后将其置于紫外臭氧机中处理15min;
(2)将SnO2胶体(15wt%)稀释至2.67wt%以3000rpm/s的速度旋涂至处理好的FTO玻璃上,随后在空气气氛中150℃退火30分钟,得到FTO/SnO2基底;
(3)将PbI2和MAI按照1.09:1的摩尔比溶解至体积比8:1的DMF和DMSO混合溶剂中,在室温条件下连续搅拌3小时,使其完全溶解,得到1.4M的MAPbI3钙钛矿前驱体溶液;将钙钛矿前驱体溶液旋涂到FTO/SnO2基底上,转速为5000rpm/s,时间为30秒,得到的中间相薄膜在100℃加热5分钟,生成黑色钙钛矿相的MAPbI3薄膜;
(4)将生成的黑色钙钛矿相MAPbI3薄膜置于二硫化碳气氛中(1μL溶剂加热得到),继续在100℃加热55分钟,得到二硫化碳处理的黑色钙钛矿相的MAPbI3薄膜(钝化的钙钛矿薄膜);
(5)在通过旋涂法将空穴传输层溶液(72.3mg Spiro-OMeTAD,28.8μL tBP 17.5μLLiTFSI溶解于1mL氯苯中)旋涂到钝化的钙钛矿薄膜表面,控制转数为4000rpm/s,旋涂时间为30s,形成空穴传输层,得到器件膜;
(6)将粒径为100nm的Au通过真空蒸镀的方法沉积到器件膜上,并通过特定模具使Au的蒸镀面积为80mm2,形成金属电极,得到钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池;
其中,步骤(3)、(4)、(5)和(6)均在手套箱中完成。
实施例6
本实施例的制备步骤与材料的选用同实施例1,不用之处在于,本实施例的电子传输层材料选用TiO2/介孔TiO2层,其余制备步骤与材料的选用同实施例1。
实施例7
本实施例制备步骤与材料的选用同实施例1,不用之处在于,本实施例是将PbI2和FAI按1.09∶1的摩尔比溶解在2-ME(2-甲氧基乙醇)中,在70℃加热的条件下连续搅拌1小时,使其完全溶解,得到浓度为1.2mol/L的FAPbI3钙钛矿前驱体溶液,其余制备步骤与材料的选用同实施例1。
实施例8
本实施例制备步骤与材料的选用同实施例1,不用之处在于,本实施例空穴传输层材料选用PTAA层(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]),其余制备步骤与材料的选用同实施例1。
对比例1
本对比例与实施例1相比,除了不包括步骤(4)中进行钝化的步骤外,其余制备步骤与材料的选用同实施例1相同,得到未钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池。
对比例2
本对比例与与实施例4相比,除了不包括步骤(4)中进行钝化的步骤外,其余制备步骤与材料的选用同实施例4相同,得到未钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池模组。
测试例1
使用HORIBA显微共焦激光拉曼光谱仪测试分别实施例1、对比例1制备的太阳能电池的拉曼光谱,参见图1可知,实施例1制备的太阳能电池中,不仅存在Pb-I,还存在Pb-S峰值,说明实施例1制备的太阳能电池中,进行钝化的钙钛矿薄膜上形成了Pb-S和Pb-I键。
测试例2
使用HORIBA稳态荧光光谱仪分别测试实施例1、对比例1制备的太阳能电池的稳态荧光,参见图2可知,实施例1制备的太阳能电池的荧光强度远高于对比例1,且实施例1与对比例1相比,出现了蓝移。
测试例3
使用Keithley 2400源表和太阳能模拟器,分别测试实施例1、对比例1制备的太阳能电池;实施例4、对比例2制备的太阳能电池模组的光电转换效率和稳定性。
光电转化效率的测试在AM1.5G(100mW cm-2)的光照条件下进行,J-V测试前使用标准Si电池进行校准,所有操作都在手套箱中进行,器件正反扫的速率为0.1V s-1。
参见图3所示,实施例1采用钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池的光电转换效率为24.10%,高于采用未钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池的光电转换效率为22.32%,由此可知,本发明中使用硫化碳对钙钛矿模板钝化,可以有效提高光电转换效率。
同时,太阳能电池的开压VOC从1.13增长到1.17,器件损失减少0.04V,填充因子FF从79.4%增长到84.51%,由此可知,使用硫化碳对钙钛矿模板钝化,可以有效提高太阳能电池的性能。
参见图4所示,实施例4采用钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池模组的光电转换效率为18.96%,高于采用未钝化的钙钛矿薄膜制备的太阳能电池模组的光电转换效率为15.69%,由此可知,本发明中使用硫化碳对钙钛矿模板钝化,可以有效提高光电转换效率。
同时,太阳能电池模组的开压VOC从8.29增长到8.71,器件损失减少0.42V,填充因子FF从61.49%增长到70.00%,由此可知,使用硫化碳对钙钛矿模板钝化,可以有效提高太阳能电池模组的性能。
测试例4
使用Keithley 2400源表和太阳能模拟器,分别测试实施例1、对比例1制备的太阳能电池;实施例4、对比例2制备的太阳能电池模组的稳定性:
稳定性测试是在湿度30%和温度30℃条件下,每隔200小时进行测试,参见图5所示,钝化后的钙钛矿太阳能电池和模组都在湿度为30%和温度为30℃的条件下,经过2000小时以后,仍然保持90%以上的稳定性;未钝化的钙钛矿太阳能电池和模组衰减较快。
以上通过实施例对本发明的具体实施方式进行了示例性的说明。但是,本发明的保护范围不拘囿于上述示例性的实施方式。凡在本发明的精神和原则之内,本领域技术人员所作出的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种表面钝化的钙钛矿薄膜,包括钙钛矿薄膜,其特征在于,所述钙钛矿薄膜的表面覆盖有二硫化碳钝化层。
优选地,所述钙钛矿薄膜包括具有AaMbXc的钙钛矿晶格的钙钛矿材料,其中A选自CH3NH3 +、HC(NH2)2 +、Cs+和Rb+中的至少一种;M选自Pb2+、Sn2+中的一种;X为I-、Br-或者I-、Br-共有;所述a、b、c为实数。
优选地,所述钙钛矿薄膜的厚度为200-900nm。
2.一种权利要求1所述表面钝化的钙钛矿薄膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
将钙钛矿薄膜置于二硫化碳气氛中加热。
优选地,所述加热的温度为100-150℃,优选所述加热的温度为110-140℃。
优选地,所述加热的时间为5-60min,优选所述加热的时间为10-40min。
优选地,所述二硫化碳气氛中二硫化碳的浓度为1-10μL,优选所述二硫化碳气氛中二硫化碳的浓度为3-8μL。
3.根据权利要求2所述的表面钝化的钙钛矿薄膜的制备方法,其特征在于,将所述钙钛矿薄膜置于二硫化碳气氛中加热之前,还包括如下步骤:将所述钙钛矿薄膜预热。
优选地,所述预热的温度为80-120℃,优选所述预热的温度为90-110℃。
优选地,所述预热的时间为1-20min。
4.根据权利要求3所述的表面钝化的钙钛矿薄膜的制备方法,其特征在于,将所述钙钛矿薄膜预热之前,还包括如下步骤:制备所述钙钛矿薄膜。
优选地,制备所述钙钛矿薄膜包括如下步骤:
S1.配置钙钛矿前驱体溶液;
S2.将钙钛矿前驱体溶液设置于基底上形成钙钛矿薄膜。
优选地,步骤S2中将钙钛矿前驱体溶液设置于基底上形成钙钛矿薄膜包括如下步骤:将钙钛矿前驱体溶液通过旋涂、浸泡、滴加等方式设置于基底上形成钙钛矿薄膜,例如将钙钛矿前驱体溶液旋涂在基底上形成钙钛矿薄膜。
5.一种权利要求1-4任一项所述表面钝化的钙钛矿薄膜在太阳能电池中的应用。
6.一种太阳能电池,其特征在于,所述太阳能电池包括权利要求1-4任一项所述表面钝化的钙钛矿薄膜。
优选地,所述太阳能电池还包括导电基底、电子传输层、空穴传输层和金属电极,所述导电基底、电子传输层、表面钝化的钙钛矿薄膜、空穴传输层和金属电极顺次设置。
优选地,所述电子传输层可以是n型无机半导体或n型有机半导体。
优选地,所述空穴传输层包括空穴传输材料,所述空穴传输材料为Spiro-OMeTAD、PTAA、P3HT或CuSCN中的一种,例如为Spiro-OMeTAD。
优选地,所述空穴传输层还包括添加剂,优选所述添加剂为叔丁基吡啶、Li盐及Co盐中的至少一种。
7.一种权利要求6所述太阳能电池的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:在导电基底上依次设置电子传输层、表面钝化的钙钛矿薄膜、空穴传输层和金属电极。
优选地,在导电基底上设置电子传输层包括如下步骤:将电子传输层材料溶于溶剂,通过旋涂法,喷雾热解法或化学浴法设置在导电基底上。
优选地,在电子传输层上设置表面钝化的钙钛矿薄膜包括如下步骤:先将钙钛矿前驱体溶液设置在电子传输层上,形成钙钛矿薄膜;再将钙钛矿薄膜至于二硫化碳气氛中加热。
优选地,所述钙钛矿前驱体溶液的制备方法包括如下步骤:将金属碘化物、阳离子卤化物、卤化铅、甲基卤化铵溶解在有机溶剂中混合均匀。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池的制备方法,其特征在于,在所述表面钝化的钙钛矿薄膜上设置空穴传输层包括如下步骤:将空穴传输材料覆盖在表面钝化的钙钛矿薄膜上。
优选地,所述覆盖包括通过旋涂法或者真空蒸镀法将空穴传输材料的溶液覆盖到二硫化碳钝化的钙钛矿吸收层薄膜上,形成空穴传输层。
优选地,形成空穴传输层后,还包括如下步骤:在空穴传输层上设置P2道,例如通过激光划刻P2道。
优选地,在空穴传输层上设置金属电极包括如下步骤:通过真空蒸镀的方法将金属沉积到空穴传输层上,形成金属电极。
优选地,设置金属电极后还包括如下步骤:在金属电极上设置P3道,例如通过激光划刻P3道。
9.一种钙钛矿模组,所述钙钛矿模组包括若干权利要求6所述的钙钛矿太阳能电池或权利要求7-8任一项所述的方法制备的钙钛矿太阳能电池。
10.一种钙钛矿模组的制备方法,包括如下步骤:将权利要求6所述的钙钛矿太阳能电池或权利要求7-8任一项所述的方法制备的钙钛矿太阳能电池组装形成钙钛矿模组。
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