CN210092131U - 一种大面积钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种大面积钙钛矿太阳能电池，包括：导电玻璃；空穴传输层，位于所述导电玻璃上；复合钙钛矿吸光层，位于所述空穴传输层上；电子传输层，位于所述复合钙钛矿吸光层上；空穴阻挡层，位于所述电子传输层上；对电极，位于所述空穴阻挡层上。本实用新型实施例通过设置复合钙钛矿吸光层，其中不同材料的钙钛矿膜在空穴传输层上间隔排列，可以促进光生载流子在钙钛矿吸光层横向流动，从而使得钙钛矿膜中载流子分布均匀，弥补钙钛矿膜的界面缺陷，改善钙钛矿膜连续性和均匀性不佳的问题，从而提高太阳能的转换效率，为大面积钙钛矿膜的制备奠定基础。

Description

一种大面积钙钛矿太阳能电池
技术领域
本实用新型属于光电技术领域，具体涉及一种大面积钙钛矿太阳能电池。
背景技术
近年来太阳能电池技术快速发展，而其中钙钛矿电池成为备受瞩目的一类电池，器件效率从2009年的3.8％迅速提高到了22.7％。钙钛矿电池具有高转化效率、制备简单、材料广泛、成本低廉等优点，应用前景十分广阔。
太阳能电池是一种利用光伏效应将光能转化为电能的器件。作为太阳能电池的吸光材料，钙钛矿材料在器件中起着吸收入射光的作用，在可见光区与近红外区具有较强的吸收带，是实现钙钛矿太阳能电池高效率的必备条件。在钙钛矿材料中，带隙可通过构成元素组分进行调控，从而得到较为合适的吸收带隙。钙钛矿电池制备成本低且可以通过简易溶液法制备，是极具潜力的可大规模商业化生产的能源材料。
虽然钙钛矿材料易于合成并且价格相对便宜，但是目前由钙钛矿制备大面积太阳能电池的光电转换效率较低，其主要原因在于现有工艺制备的钙钛矿膜连续性和均匀性不佳，导致太阳能电池各方面性能直线下降，从而限制了大面积钙钛矿膜的制备。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种大面积钙钛矿太阳能电池。本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本实用新型实施例提供了一种大面积钙钛矿太阳能电池，包括：
导电玻璃；
空穴传输层，位于所述导电玻璃上；
复合钙钛矿吸光层，位于所述空穴传输层上；
电子传输层，位于所述复合钙钛矿吸光层上；
空穴阻挡层，位于所述电子传输层上；
对电极，位于所述空穴阻挡层上。
在本实用新型的一个实施例中，所述空穴传输层的厚度为10～20nm。
在本实用新型的一个实施例中，所述复合钙钛矿吸光层的厚度为100～300nm。
在本实用新型的一个实施例中，所述复合钙钛矿吸光层包括若干个第一钙钛矿吸光层和若干个第二钙钛矿吸光层，其中，所述第一钙钛矿吸光层和第二钙钛矿吸光层均位于所述空穴传输层上，并且所述第一钙钛矿吸光层和所述第二钙钛矿吸光层呈带状间隔排列。
在本实用新型的一个实施例中，所述第一钙钛矿吸光层与所述第二钙钛矿吸光层的宽度比值为10：1。
在本实用新型的一个实施例中，所述第一钙钛矿吸光层的材料为Br-掺杂的CH3NH3I3，其中，Br-与I-的质量比为1:5～1:10；
所述第二钙钛矿吸光层的材料为CH3NH3Br3。
在本实用新型的一个实施例中，所述电子传输层的厚度为20～50nm。
在本实用新型的一个实施例中，所述空穴阻挡层的厚度为4～10nm。
在本实用新型的一个实施例中，所述对电极的厚度为100～300nm。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
本实用新型通过设置复合钙钛矿吸光层，其中不同材料的钙钛矿膜在空穴传输层上间隔排列，可以促进光生载流子在钙钛矿吸光层横向流动，从而使得钙钛矿膜中载流子分布均匀，弥补钙钛矿膜的界面缺陷，改善钙钛矿膜连续性和均匀性不佳的问题，从而提高太阳能的转换效率，为大面积钙钛矿膜的制备奠定基础。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种大面积钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种大面积钙钛矿太阳能电池制备方法的流程示意图；
图3为本实用新型实施例制备的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本实用新型实施例提供的一种大面积钙钛矿太阳能电池的结构示意图，该钙钛矿太阳能电池包括：导电玻璃1；空穴传输层2，位于导电玻璃1上；复合钙钛矿吸光层3，位于空穴传输层2上；电子传输层4，位于复合钙钛矿吸光层3上；空穴阻挡层5，位于电子传输层4上，对电极6，位于空穴阻挡层5上。
在一个具体实施例中，导电玻璃1为ITO导电玻璃或者FTO导电玻璃；优选的，导电玻璃1选用ITO导电玻璃。ITO是铟氧化物(In2O3，质量分数为90％)和锡氧化物(SnO2，质量分数为10％)的混合物，其费米能级的范围为4.5～5.0eV，具有较高的载流子浓度和较低的电阻率；在400～1000nm的波长范围内，ITO导电玻璃的透射率可达80％以上。
在一个具体实施例中，空穴传输层2的厚度为10～20nm，空穴传输层2的材料为PEDOT:PSS、CuPc、PT、Cu:NiOx、CuI、CuS中的一种或多种，优选的，空穴传输层2的厚度为12nm，空穴传输层2材料为PEDOT:PSS。
在一个具体实施例中，复合钙钛矿吸光层的厚度为100～300nm；进一步的，复合钙钛矿吸光层3包括若干个第一钙钛矿吸光层31和若干个第二钙钛矿吸光层32，第一钙钛矿吸光层31和第二钙钛矿吸光层32均位于所述空穴传输层2上，第一钙钛矿吸光层31和第二钙钛矿吸光层32呈带状间隔排列；进一步的，第一钙钛矿吸光层31与第二钙钛矿吸光层32的宽度比值为10:1；进一步的，第一钙钛矿吸光层31的材料为Br-掺杂的CH3NH3I3，其中，Br-与I-的质量比为1:5～1:10，优选的Br-与I-的质量比为1:7；第二钙钛矿吸光层的材料为CH3NH3Br3。
本实用新型实施例通过设置复合钙钛矿吸光层，其中不同材料的钙钛矿膜在空穴传输层上间隔排列，可以促进光生载流子在钙钛矿吸光层横向流动，从而使得钙钛矿膜中载流子分布均匀，弥补钙钛矿膜的界面缺陷，改善钙钛矿膜连续性和均匀性不佳的问题，从而提高太阳能的转换效率，为大面积钙钛矿膜的制备奠定基础。
本实用新型实施例第一钙钛矿吸光层31与第二钙钛矿吸光层32的宽度比值采用10：1，可以使得钙钛矿膜中的载流子在较短时间内达到均匀分布的状态，同时使得复合钙钛矿吸光层与空穴传输层、电子传输层之间的能级匹配。
本实用新型实施例采用第一钙钛矿吸光层的材料采用Br-掺杂的CH3NH3I3，其中，Br-与I-的质量比为1:5～1:10，第二钙钛矿吸光层的材料采用CH3NH3Br3，采用1:5～1:10的Br-掺杂CH3NH3I3和CH3NH3Br3可以提高两种钙钛矿吸光层之间的能带匹配度，有利于光生载流子的横向流动。
在一个具体实施例中，电子传输层5的厚度为20～50nm，电子传输层5材料为富勒烯、ZnO、Al2O3中的一种或多种。
在一个具体实施例中，空穴阻挡层6的厚度为4～10nm，空穴阻挡层6材料包括BCP、TPBi、Alq、LiF、DPVBi中的一种或多种；优选的，空穴阻挡层材料采用BCP，厚度为6nm。
本实用新型实施例在电子传输层5上制备一层空穴阻挡层，改善了空穴阻挡层具备阻挡或者减缓空穴的能力，从而减小空穴漏电流，平衡了太阳能电池中的载流子，提高了电池的效率；同时，被阻挡的空穴积累在空穴阻挡层界面，从而影响器件内的电场分布，使得器件的效率得以提高。
在一个具体实施例中，对电极6的厚度为100～300nm；对电极6通常采用功函数较低的金属作为阴极，以提高电子的注入和收集，比如Al、Ga、Mg、Ag等材料，优选的阴极材料选Ag，Ag的厚度为120nm。
本实用新型实施例通过设置复合钙钛矿吸光层，可以改善钙钛矿膜连续性和均匀性不佳的问题，为大面积钙钛矿膜的制备奠定基础。
请参见图2，图2为本实用新型实施例提供的一种大面积钙钛矿太阳能电池制备方法的流程示意图，包括步骤：
S1、清洗ITO导电玻璃1：首先将ITO导电玻璃依次在自来水、氢氧化钾溶液、去离子水、酒精、丙酮、异丙醇中声处理15min，然后将ITO导电玻璃烘干，并将干燥处理好的导电玻璃在紫外-臭氧条件下处理5～10min。
S2、制备空穴传输层2：首先将配置PEDOT:PSS水溶液，PEDOT:PSS和水的体积比为1:3，并将PEDOT:PSS水溶液声处理2h，使得PEDOT:PSS均匀分散；然后在臭氧处理的ITO导电玻璃上滴0.5ml的PEDOT:PSS水溶液进行旋涂，旋涂转速2000rpm，旋涂时间15-35s；然后将基片120℃加热处理15～20min。
S3、制备复合钙钛矿吸光层3：首先将基片放置在蒸镀机中蒸镀100～150nm的PbI2，蒸镀速率为0.2nm/s；其次，将第二钙钛矿吸光层进行掩膜覆盖，配置(40mg/ml的CH3NH3I+5.7mg/ml的CH3NH3Br3)in二甲基甲酰胺的前驱体混合溶液，采用喷涂法将混合溶液喷涂在PbI2薄膜的第一钙钛矿吸光层区域，停留10s，然后将基片在60℃下退火2min；然后，将第一钙钛矿吸光层进行掩膜覆盖，配置28mg/ml的CH3NH3Br3in二甲基甲酰胺的前驱体溶液，采用喷涂法将CH3NH3Br3溶液喷涂在PbI2薄膜的第二钙钛矿吸光层区域，停留10s，然后将基片在80℃下退火3min。
S4、制备电子传输层4：将基片放置在蒸镀机中蒸镀30nm的C60，蒸镀速率为0.1nm/s。
S5、制备空穴阻挡层5：C60蒸镀完毕后，关闭蒸镀机C60的挡板，打开BCP挡板，继续蒸镀6nm的BCP，蒸镀速率为0.05nm/s。
S6、制备对电极6：将基片放置在蒸镀机中蒸镀120nm的Ag，蒸镀速率为0.2nm/s。
本实用新型实施例的钙钛矿太阳能电池制备方法中，空穴传输层、复合钙钛矿吸光层、电子传输层和空穴阻挡层之间的所采用厚度使得这几层材料之间的能级匹配达到较佳水平，使得载流子可以更有效的传输，从而一定程度上提高了电池的效率。
将制备的太阳能电池器件从真空腔取出即可，其结构示意图请参见图1。
在大气环境下测试制备的太阳能电池器件的电压-电流密度，请参见图3，图3位本实用新型实施例制备的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度曲线图，其能量转换效率为12.76％，开路电压为0.76V，短路电流20.85mA/cm3，填充因子为80.5％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种大面积钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括：
导电玻璃；
空穴传输层，位于所述导电玻璃上；
复合钙钛矿吸光层，位于所述空穴传输层上，所述复合钙钛矿吸光层包括若干个第一钙钛矿吸光层和若干个第二钙钛矿吸光层，其中，所述第一钙钛矿吸光层和第二钙钛矿吸光层均位于所述空穴传输层上，并且所述第一钙钛矿吸光层和所述第二钙钛矿吸光层呈带状间隔排列，且所述第一钙钛矿吸光层和第二钙钛矿吸光层的材料不同；
电子传输层，位于所述复合钙钛矿吸光层上；
空穴阻挡层，位于所述电子传输层上；
对电极，位于所述空穴阻挡层上。
2.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层的厚度为10～20nm。
3.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述复合钙钛矿吸光层的厚度为100～300nm。
4.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第一钙钛矿吸光层与所述第二钙钛矿吸光层的宽度比值为10：1。
5.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第一钙钛矿吸光层的材料为Br-掺杂的CH3NH3I3，其中，Br-与I-的质量比为1:5～1:10；
所述第二钙钛矿吸光层的材料为CH3NH3Br3。
6.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层的厚度为20～50nm。
7.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴阻挡层的厚度为4～10nm。
8.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述对电极的厚度为100～300nm。
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