TWI785686B - 鈣鈦礦太陽能電池之製備方法 - Google Patents
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Abstract
本揭露係關於一種鈣鈦礦太陽能電池之製備方法，包括下列步驟：提供一第一電極；形成一主動層於第一電極上；以及形成一第二電極於主動層上。其中，主動層可由下列步驟所製備：混合一鈣鈦礦前驅物及一溶劑以形成一主動層前驅溶液，其中溶劑包括一第一溶劑及一第二溶劑，第一溶劑係選自由γ-丁內酯(GBL)、二甲基亞碸(DMSO)、2-甲基吡嗪(2-MP)、二甲基甲醯胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙醯胺(DMAc)及其組合所組成之群組，而第二溶劑為一醇類；以及將主動層前驅溶液塗佈於第一電極上並熱處理主動層前驅溶液，以形成主動層。
Description
本發明是關於一種鈣鈦礦太陽能電池之製備方法。
近年來隨著技術的進步，相較於傳統多晶矽太陽能電池數十年間僅緩慢進步，鈣鈦礦太陽能電池之功率轉換效率(PCE)已於七年內由3.8%大幅提升至22.1%，且鈣鈦礦太陽能電池更具有低成本、易製造、質輕、及可撓式等特性，從而被視為一種極具潛力的太陽能電池。
然而，在習知技術中，使用有毒溶劑且採用旋轉塗佈技術(Spin Coating)的製備方式僅適合製作小面積鈣鈦礦太陽能電池。由於難以製作大面積奈米級薄膜製程的鈣鈦礦太陽能電池，因此使得其應用範圍受到限制。
因此，亟須提出一種鈣鈦礦太陽能電池之製備方法，特別是在室溫下可大面積製備之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法，以消除或緩和上述問題。
有鑑於此，本發明提出一種鈣鈦礦太陽能電池之製備方法及使用此製備方法所製得之鈣鈦礦太陽能電池，以無毒溶劑的溶液配方配合狹縫式塗
佈法等方式，適合在室溫下大面積製備鈣鈦礦太陽能電池，使其得以應用於更為廣泛的領域。
本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法包括下列步驟：提供一第一電極；形成一主動層於第一電極上；以及形成一第二電極於主動層上。其中主動層係由下列步驟所製備：混合一鈣鈦礦前驅物及一溶劑以形成一主動層前驅溶液，其中溶劑包括一第一溶劑及一第二溶劑，第一溶劑係選自由γ-丁內酯(GBL)、二甲基亞碸(DMSO)、2-甲基吡嗪(2-MP)、二甲基甲醯胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙醯胺(DMAc)及其組合所組成之群組，而第二溶劑為一醇類；以及將主動層前驅溶液塗佈於第一電極上並熱處理主動層前驅溶液，以形成主動層。
於本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法中，可於形成主動層前，形成一電洞傳輸層於第一電極上，但本發明不限於此。此外，可於形成第二電極前，形成一電子傳輸層於主動層上，且電子傳輸層可包括一底層和一功函數層，但本發明不限於此。
因此，本發明之製備方法所製得之鈣鈦礦太陽能電池包括：一第一電極；一主動層，設置於第一電極上，且主動層包括一鈣鈦礦；一第二電極層，設置於主動層上，且第二電極與第一電極相對設置。此外，本發明之鈣鈦礦太陽能電池可更包括：一電洞傳輸層，設置於第一電極與主動層之間。再者，本發明之鈣鈦礦太陽能電池可更包括：一電子傳輸層，設置於主動層與第二電極之間。
於本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法中，熱處理的方式可為加熱板或近紅外線加熱技術，但本發明不限於此，熱處理較佳為近紅外線加熱技術。
於本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法中，第一溶劑可包括γ-丁內酯與二甲基亞碸，但本發明不限於此。
於本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法中，γ-丁內酯與二甲基亞碸之體積比可為0：1至1：0、1：9至9：1、1：9至7：3、或1：9至5：5，但本發明不限於此。
於本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法中，第一溶劑與第二溶劑之體積比可為5：5至9：1、6：4至9：1、7：3至9：1、或8：2至9：1，但本發明不限於此。
於本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法中，醇類可選自由甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇及其組合所組成之群組，但本發明不限於此。此外，醇類可為正丁醇，但本發明不限於此。
於本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法中，熱處理主動層前驅溶液之時間及溫度均無特殊限制，可依照主動層的材料種類及厚度進行調整，只要不會對鈣鈦礦主動層的結晶度、混摻均勻度及太陽能電池的光電效率造成影響即可。其中熱處理主動層前驅溶液之時間可介於5秒至30秒之間、7秒至30秒之間、10秒至25秒之間、或10秒至20秒之間。此外，熱處理主動層前驅溶液之溫度可介於100℃至200℃之間、110℃至200℃之間、120℃至200℃之間、或140℃至200℃之間。
於本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法及使用此製備方法所製得之鈣鈦礦太陽能電池中，底層之材料可包括一富勒烯衍生物，但本發明不限於此。
於本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法及使用此製備方法所製得之鈣鈦礦太陽能電池中，功函數層可包括一四烷基氫氧化銨，但本發明不限於此。此外，四烷基氫氧化銨的烷基可為C1-C6烷基，例如，四烷基氫氧化銨可為四甲基氫氧化銨(tetramethylammonium hydroxide,TMAOH)、四乙基氫氧化銨(tetraethylammonium hydroxide)、四丙基氫氧化銨(tetrapropylammonium hydroxide)、四丁基氫氧化銨(tetrabutylammonium hydroxide,TBAOH)、四戊基氫氧化銨(tetrapentylammonium hydroxide)、或四己基氫氧化銨(tetrahexylammonium hydroxide)；四烷基氫氧化銨較佳為四乙基氫氧化銨、四丙基氫氧化銨、四丁基氫氧化銨、四戊基氫氧化銨；更佳為四丙基氫氧化銨、四丁基氫氧化銨；最佳為四丁基氫氧化銨，但本發明不限於此。
於本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法及使用此製備方法所製得之鈣鈦礦太陽能電池中，第二電極之材料可包括金、銀、銅、鋁、鈀、鎳、ITO、FTO、ATO、AZO、IZO、GZO、ITZO、IGZO或其組合；第二電極之材料較佳為金、銀、銅、鋁、鈀、ITO、FTO、AZO、IZO、GZO、ITZO、IGZO或其組合；更佳為金、銀、銅、ITO、FTO、GZO、ITZO、IGZO或其組合；最佳為銀、ITO、FTO、或其組合，但本發明不限於此。
於本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法中，主動層前驅溶液可以以狹縫式塗佈法塗佈於第一電極上，但本發明不限於此。
下文將配合圖式並詳細說明，使本發明的其他目的、優點、及新穎特徵更明顯。
1:鈣鈦礦太陽能電池
10:第一電極
20:第二電極
30:電洞傳輸層
40:主動層
50:電子傳輸層
51:底層
52:功函數層
圖1為鈣鈦礦太陽能電池之立體示意圖。
圖2為本發明之比較例1~比較例5於不同近紅外線照射時間之電流密度與電壓(J-V)特性曲線。
圖3為本發明之實施例1~實施例5於不同近紅外線照射時間之電流密度與電壓(J-V)特性曲線。
圖4為本發明之測試例於不同近紅外線照射時間之SEM照片。
圖5為本發明之測試例於不同時間之標準化效率。
以下提供本發明的不同實施例。這些實施例是用於說明本發明的技術內容，而非用於限制本發明的權利範圍。一實施例的一特徵可透過合適的修飾、置換、組合、分離以應用於其他實施例。
應注意的是，在本文中，除了特別指明者之外，具備「一」元件不限於具備單一的該元件，而可具備一或更多的該元件。
此外，在本文中，除了特別指明者之外，「第一」、「第二」等序數，只是用於區別具有相同名稱的多個元件，並不表示它們之間存在位階、層級、執行順序、或製程順序。一「第一」元件與一「第二」元件可能一起出
現在同一構件中，或分別出現在不同構件中。序數較大的一元件的存在不必然表示序數較小的另一元件的存在。
此外，在本文中，所謂的「上」、「下」、「前」、「後」、或「之間」等用語，只是用於描述多個元件之間的相對位置，並在解釋上可推廣成包括平移、旋轉、或鏡射的情形。
此外，在本文中，除了特別指明者之外，「一元件在另一元件上」或類似敘述不必然表示該元件接觸該另一元件。
此外，在本文中，「較佳」或「更佳」是用於描述可選的或附加的元件或特徵，亦即，這些元件或特徵並不是必要的，而可能加以省略。
鈣鈦礦太陽能電池之結構
圖1為鈣鈦礦太陽能電池之立體示意圖。
如圖1所示，使用本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法所製得之鈣鈦礦太陽能電池1，包括一第一電極10、一第二電極20、一電洞傳輸層30、一主動層40、及一電子傳輸層50，其中一主動層40設置於第一電極10上，且包括一鈣鈦礦；一第二電極20，設置於主動層40上，且第二電極20與第一電極10相對設置；一電洞傳輸層30，設置於第一電極10與主動層40之間；以及一電子傳輸層50，包括一底層51及一功函數層52，其中電子傳輸層50設置於主動層40與第二電極20之間。
鈣鈦礦太陽能電池之製備方法
本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法，包括：提供一第一電極10；形成一主動層40於第一電極10上；以及形成一第二電極20於主動層40上。其中主動層40係由下列步驟所製備：混合一鈣鈦礦前驅物及一溶劑以形成一主動層前驅溶液，其中溶劑包括一第一溶劑及一第二溶劑，第一溶劑係選自由γ-丁內酯、二甲基亞碸、2-甲基吡嗪、二甲基甲醯胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙醯胺及其組合所組成之群組，而第二溶劑為一醇類；以及將主動層前驅溶液塗佈於第一電極10上並熱處理主動層前驅溶液，以形成主動層40。此外，於形成主動層40前，形成一電洞傳輸層30於第一電極10上；且於形成第二電極20前，形成一電子傳輸層50於主動層40上，且電子傳輸層50可包括一底層51和一功函數層52。
製備鈣鈦礦太陽能電池
首先，以超音波依序用丙酮、甲醇、及異丙醇清洗購入的氟摻雜氧化錫(FTO)玻璃(即為第一電極10)。FTO的厚度為600nm。於大氣環境下，將74.6mg的四水醋酸鎳(nickel acetate tetrahydrate,Ni(CH3COO)2．4H2O)溶於1mL無水乙醇中，並將此溶液於60℃下攪拌直到形成澄清綠色溶液。於添加18μL乙醇胺(ethanolamine)後，將1mL氧化鎳前驅溶液與200μL的TMAOH溶液混合，其中TMAOH溶液的濃度為在1mL的無水乙醇中含有54mg的四甲基氫氧化銨五水合物(tetramethylammonium hydroxide pentahydrate,TMAOH．5H2O)。此外，於使用前以0.22μm PTFE(poly(1,1,2,2-tetrafluoroethylene))過濾溶液，並於室溫環境中使用狹縫式塗佈法(狹縫頭上下唇緣之高度介於180μm~200μm的範圍內)，以1m/min的塗佈速率以及1.2mL/min的進料速率塗佈於已清洗的FTO
玻璃上，接著以0.06m/min的速率經過3000W的近紅外線(NIR)燈照射，使NiOx薄膜(即為電洞傳輸層30)乾燥並結晶，從而於第一電極10上形成電洞傳輸層30。電洞傳輸層30的厚度為50nm。
其次，於氮氣手套箱中，將96mg甲基銨碘化物(methyl ammonium iodide,MAI)和276mg PbI2混合於γ-丁內酯、二甲基亞碸和正丁醇(體積比依序為1：9：0或1：8：1)的混合溶劑以製成0.6M的鈣鈦礦前驅物溶液。於室溫環境下，將上述鈣鈦礦前驅物溶液使用狹縫式塗佈法，以0.45m/min的塗佈速率以及1.2mL/min的進料速率塗佈於電洞傳輸層30上，並以不同照射時間經過6000W的近紅外線燈進行乾燥及結晶，從而於電洞傳輸層30上形成主動層40。藉由調整鈣鈦礦前驅物溶液的濃度，使主動層40的厚度為700nm。
接著，於氮氣手套箱中，將PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)以15mg/mL的濃度溶於鄰二甲苯(o-xylene)，形成PCBM溶液。於室溫環境下，將上述PCBM溶液使用狹縫式塗佈法，以0.4m/min的塗佈速率以及1.2mL/min的進料速率將PCBM濕膜塗佈於主動層40上，並以1.5m/min的速率經過3000W的近紅外線燈進行乾燥及結晶，從而於主動層40上形成PCBM層(即為底層51)，而PCBM層作為電子傳輸層50的底層51，其厚度為80nm。
再者，於氮氣手套箱中，將四丁基氫氧化銨(tetrabutylammonium hydroxide,TBAOH)溶於異丙醇中，以形成濃度為0.05wt%的TBAOH溶液。於室溫環境下，將此TBAOH溶液使用狹縫式塗佈法，以0.5m/min的塗佈速率以及1.2mL/min的進料速率塗佈於PCBM層上，並以2.2m/min的速率經過3000W的近紅外線燈進行乾燥，從而形成功函數層52，其中功函數層52的厚度為5nm。
最後，以熱蒸鍍方式沉積100nm金屬銀或透明電極材料(即第二電極20)於功函數層52上。
實施例1
於本實施例中，鈣鈦礦太陽能電池1之第一電極10為FTO、第二電極20為金屬銀、電洞傳輸層30為NiOX、主動層40為MAPbI3、底層51為PCBM、及功函數層52為TBAOH。使用狹縫式塗佈法形成主動層40，其中第一溶劑包括γ-丁內酯和二甲基亞碸，第二溶劑為正丁醇，且γ-丁內酯、二甲基亞碸及正丁醇之體積比為1：8：1。此外，於本實施例中，形成主動層40的近紅外線照射時間為13s。
實施例2
本實施例與實施例1相似，除了於本實施例中，形成主動層40的近紅外線照射時間為14.5s。
實施例3
本實施例與實施例1相似，除了於本實施例中，形成主動層40的近紅外線照射時間為16s。
實施例4
本實施例與實施例1相似，除了於本實施例中，形成主動層40的近紅外線照射時間為17.5s。
實施例5
本實施例與實施例1相似，除了於本實施例中，形成主動層40的近紅外線照射時間為19s。
比較例1
比較例1與實施例1相似，除了於比較例1中，第一溶劑包括γ-丁內酯和二甲基亞碸，未添加第二溶劑，且γ-丁內酯和二甲基亞碸之體積比為1：9。
比較例2
比較例2與比較例1相似，除了於比較例2中，形成主動層40的近紅外線照射時間為14.5s。
比較例3
比較例3與比較例1相似，除了於比較例3中，形成主動層40的近紅外線照射時間為16s。
比較例4
比較例4與比較例1相似，除了於比較例4中，形成主動層40的近紅外線照射時間為17.5s。
比較例5
比較例5與比較例1相似，除了於比較例5中，形成主動層40的近紅外線照射時間為19s。
功效
圖2為本發明之比較例1~比較例5於不同近紅外線照射時間之電流密度與電壓(J-V)特性曲線。圖3為本發明之實施例1~實施例5於不同近紅外線照射時間之電流密度與電壓(J-V)特性曲線。圖4為本發明之測試例於不
同近紅外線照射時間之SEM照片。圖5為本發明之測試例於不同時間之標準化效率。
圖2為比較例1~比較例5之比較，係比較在第一溶劑包括γ-丁內酯和二甲基亞碸且未添加第二溶劑的情況下，於不同近紅外線照射時間之差異。如圖2及表1所示，可發現隨著近紅外線照射時間的增加，狹縫式塗佈之鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率(PCE)隨之提升，而在近紅外線照射時間為17.5s時(比較例4)，具有約10%的功率轉換效率。由此可知，縮短由濕膜轉為乾膜的轉變時間有助於實現高結晶度的鈣鈦礦，進而實現高功率轉換效率的鈣鈦礦太陽能電池。
圖3為實施例1~實施例5之比較，係比較形成主動層40的溶劑包括第一溶劑及第二溶劑(第一溶劑包括γ-丁內酯和二甲基亞碸，第二溶劑為正丁醇)，於不同近紅外線照射時間之差異。如圖3及表2所示，本發明之實施例與上述比較例之差異在於加入第二溶劑，使γ-丁內酯：二甲基亞碸：正丁醇之體積比為1：8：1，藉由醇類作為的第二溶劑(在此為正丁醇)具有吸收近紅外線之
特性，提升近紅外線的吸收，加速主動層40由濕膜變為乾膜。因此，透過正丁醇作為第二溶劑，可顯著提升狹縫式塗佈之鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率，在近紅外線照射時間為16s時(實施例3)，達到最佳12.13%的功率轉換效率。
此外，圖4為實施例1~實施例5與比較例1~比較例5之比較，係比較含有正丁醇(實施例1~實施例5)與未含有正丁醇(比較例1~比較例5)，對於不同近紅外線照射時間下的表面型態之差異。如圖4所示，可發現在第一溶劑包括γ-丁內酯和二甲基亞碸且第二溶劑為正丁醇的情況下，其所製備的主動層40於較短的近紅外線照射時間下即可產生較為緻密的表面形態。此外，因為含有正丁醇作為第二溶劑，可吸收更多的近紅外線能量，使近紅外線能量吸收效率提高，因此主動層40中可形成較大的鈣鈦礦晶粒，有利於提升鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率。再者，此種鈣鈦礦太陽能電池具有較高的開路電壓(Voc)，顯示以近紅外線及狹縫式塗佈所製備的主動層40於電洞傳輸層30上具有較佳的表面覆蓋情形。
另外，圖5為實施例3與比較例3之比較，係比較含有正丁醇(實施例3)與未含有正丁醇(比較例3)，對於所製得的鈣鈦礦太陽能電池穩定性之影響。如圖5所示，將未封裝裝置存放於乾燥空氣(25℃、濕度30~40%)中，經過220小時，可發現由γ-丁內酯：二甲基亞碸：正丁醇之體積比為1：8：1的溶劑所製得的鈣鈦礦太陽能電池仍保有87%的初始功率轉換效率(Initial PCE)，然而，未加入正丁醇所製得的鈣鈦礦太陽能電池則僅有64%的初始功率轉換效率。顯見加入正丁醇作為第二溶劑明顯改善由近紅外線熱處理所製得的主動層40之表面型態及結晶結構，有助於提升鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。
綜上所述，本發明之鈣鈦礦太陽能電池之製備方法是以無毒的第一溶劑(γ-丁內酯和二甲基亞碸)及第二溶劑(正丁醇)作為溶劑，透過第二溶劑可吸收近紅外線能量的特性，有助於形成較大的鈣鈦礦晶粒、提高成膜性能、無須進行後退火處理、或可提升所製得的鈣鈦礦太陽能電池的穩定性，並有助於在室溫下大面積製備鈣鈦礦太陽能電池，可大幅拓展鈣鈦礦太陽能電池的應用領域。
儘管本發明已透過多個實施例來說明，應理解的是，只要不背離本發明的精神及申請專利範圍所主張者，可作出許多其他可能的修飾及變化。
1:鈣鈦礦太陽能電池
10:第一電極
20:第二電極
30:電洞傳輸層
40:主動層
50:電子傳輸層
51:底層
52:功函數層
Claims (14)
- 一種鈣鈦礦太陽能電池之製備方法，包括下列步驟：提供一第一電極；形成一主動層於該第一電極上，其中該主動層係由下列步驟所製備：混合一鈣鈦礦前驅物及一溶劑以形成一主動層前驅溶液，其中該溶劑包括一第一溶劑及一第二溶劑，該第一溶劑係選自由γ-丁內酯(GBL)、二甲基亞碸(DMSO)、2-甲基吡嗪(2-MP)、二甲基甲醯胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙醯胺(DMAc)及其組合所組成之群組，而該第二溶劑為一醇類，且該第一溶劑與該第二溶劑之體積比為5：5至9：1；以及將該主動層前驅溶液塗佈於該第一電極上並以近紅外線加熱技術熱處理該主動層前驅溶液，以形成該主動層；以及形成一第二電極於該主動層上。
- 如請求項1所述之製備方法，其中於形成該主動層前，形成一電洞傳輸層於該第一電極上。
- 如請求項1所述之製備方法，其中於形成該第二電極前，形成一電子傳輸層於該主動層上，且該電子傳輸層包括一底層和一功函數層。
- 如請求項1所述之製備方法，其中該第一溶劑包括γ-丁內酯與二甲基亞碸。
- 如請求項4所述之製備方法，其中γ-丁內酯與二甲基亞碸之體積比為1：9至9：1。
- 如請求項1所述之製備方法，其中該醇類係選自由甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇及其組合所組成之群組。
- 如請求項6所述之製備方法，其中該醇類為正丁醇。
- 如請求項1所述之製備方法，其中熱處理該主動層前驅溶液之時間介於5秒至30秒之間。
- 如請求項1所述之製備方法，其中熱處理該主動層前驅溶液之溫度介於100℃至200℃之間。
- 如請求項3所述之製備方法，其中該底層之材料包括一富勒烯衍生物。
- 如請求項3所述之製備方法，其中該功函數層包括一四烷基氫氧化銨。
- 如請求項11述之製備方法，其中該四烷基氫氧化銨為四丁基氫氧化銨(tetrabutylammonium hydroxide,TBAOH)。
- 如請求項1所述之製備方法，其中該第二電極之材料包括金、銀、銅、鋁、鈀、鎳、ITO、FTO、ATO、AZO、IZO、GZO、或其組合。
- 如請求項1所述之製備方法，其中該主動層前驅溶液是以狹縫式塗佈法塗佈於該第一電極上。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Patent Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| US20170084399A1 (en) * | 2014-02-26 | 2017-03-23 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organiztion | Process of forming a photoactive layer of a perovskite photoactive device |
| US20180342630A1 (en) * | 2015-11-25 | 2018-11-29 | Global Frontier Center for Multiscale Energy | Perovskite solar battery and method for producing same |
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| US20190221371A1 (en) * | 2018-01-18 | 2019-07-18 | Research & Business Foundation Sungkyunkwan University | Preparing method of large-area perovskite thin film |
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