一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
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申请号 | CN201710019847.8 | 申请日 | 2017-01-11 | 公开(公告)号 | CN106803536A | 公开(公告)日 | 2017-06-06 |
申请人 | 南京邮电大学; | 发明人 | 曾文进; 刘星明; 闵永刚; 马寸亮; 申佳欣; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种 钙 钛 矿 太阳能 电池 及其制备方法,属于 太阳能电池 器件领域。该 钙钛矿 太阳能电池 包括 阴极 、 电子 传输层、钙钛矿 活性层 、空穴传输层、 阳极 ,其中电子传输层的 氧 化物 薄膜 是通过 蒸汽 诱导低温制备得到,在电池阴极上面 旋涂 30~75nm的氧化物前驱体溶液,然后将其放在含有1‑50mL 溶剂 的密闭容器中,将密闭容器置于 温度 为120~180℃的箱式炉中8~16h制得。该制备方法极大的降低氧化物薄膜的制备温度,可用于柔性基底,实现钙钛矿太阳能电池的低温制备并将该方法广泛应用到器件的生产领域;所得钙钛矿太阳能电池开路 电压 较大,高于普通500℃高温做出的太阳能电池的开路电压。 | ||||||
权利要求 | 1.一种钙钛矿太阳能电池,包括阴极、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层、阳极,电池阴极在钙钛矿太阳能电池最下端,连接电子传输层,电子传输层连接钙钛矿活性层,钙钛矿活性层与空穴传输层相连接,空穴传输层连接电池阳极,其特征在于,所述电子传输层的氧化物薄膜是通过蒸汽诱导低温制备得到。 |
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说明书全文 | 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术领域背景技术[0002] 能源问题是社会的重要问题,在我国的能源消费占比中,不可再生能源所占比例高达91.27%,而可再生能源仅占了不到9%,而按照当前勘探到的地球不可再生资源(石油、煤炭、天然气和核燃料等)的储量,预计在不久的将来,能源短缺所带来的系列问题将会日益凸显。因此,大力发展清洁可再生能源是我国乃至整个人类社会得以可持续发展的迫切需要。 [0003] 钙钛矿太阳能电池作为新兴太阳能电池,具有光电转换效率高,制备工艺简单,制作成本低等诸多优点,在短短六七年的时间里,钙钛矿太阳能电池的研究取得了重大进展,它的光电转换效率从最初的3.8%提高到超过22%,钙钛矿太阳电池的进展让人们看到了曙光,预示着它未来作为一种高效的可再生能源器件,将有可能拥有着广阔的应用前景。借鉴聚合物有机太阳能电池的研究历程,我们有理由推测:开发可印刷的钙钛矿太阳电池制备工艺并实现柔性化将势在必行。而实现钙钛矿太阳能电池的全印刷和柔性化,其要素之一是实现钙钛矿电池的低温制备。 [0004] 常规的平面异质结钙钛矿太阳能电池,其主要有ITO或FTO电极,电子传输层(二氧化钛、氧化锡、氧化锌),钙钛矿吸光层,空穴传输层,金属电极(金、银、铝)组成。钙钛矿吸光层,空穴传输层等都可以在相对较低的温度(低于150℃)下制备成,但电子传输层的制备普遍高于300℃,较好的电子传输层材料二氧化钛要在高于500℃条件下才能制备成,这就没法开发大面积柔性(如PET为基底要温度低于150℃)钙钛矿太阳能电池。因此,我们很有必要开发一种面向金属氧化物(二氧化钛、氧化锡、氧化锌)薄膜的低温溶液制备方法,运用到钙钛矿太阳能电池的器件制备流程当中。 发明内容[0005] 针对现有技术中存在的现有氧化物薄膜(以二氧化钛为例)作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池,其电子传输层二氧化钛只能在高于500℃条件下制备问题,本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法,它可以实现降低氧化物薄膜的制备温度(可低于150℃),实现钙钛矿太阳能电池的低温制备。 [0006] 本发明的目的通过以下技术方案实现。 [0007] 钙钛矿太阳能电池,包括阴极、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层、阳极,阴极在钙钛矿太阳能电池最下端,连接电子传输层,电子传输层连接钙钛矿活性层,钙钛矿活性层连接空穴传输层,空穴传输层连接电池阳极,其特征在于,所述电子传输层的氧化物薄膜是通过蒸汽诱导低温制备得到。 [0009] 更进一步的,所述钙钛矿太阳能电池结构是平面异质结构或叠层结构。 [0010] 制备该钙钛矿太阳能电池的方法,其特征在于,步骤如下: [0012] 步骤二、电子传输层的制备:在空气中,阴极上面旋涂30~75nm的氧化物前驱体溶液,然后将其放在含有1-50mL溶剂的密闭容器中,将密闭容器置于温度为120~180℃的箱式炉中8~16h; [0014] 步骤四、空穴传输层制备:在氮气去水的手套箱中,在活性层上旋涂150~200nm的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴溶液; [0016] 更进一步的,所述步骤一中电极基底为掺氟的SnO2透明导电玻璃FTO或氧化铟锡导电玻璃ITO。 [0018] 更进一步的,所述步骤二中溶剂为去离子水、乙醇或异丙醇的一种。 [0019] 更进一步的,所述步骤三中电子传输层的成膜方法为旋涂法、喷涂法或印刷法的一种。 [0020] 更进一步的,所述步骤三中退火处理温度为100℃。 [0021] 相比于现有技术,本发明的优点在于: [0023] (2)本发明运用溶剂蒸汽诱导法极大降低氧化物薄膜的制备温度(可低于150℃),实现钙钛矿太阳能电池的低温制备,可用于柔性基底,如基于PET基底的柔性器件; [0025] 图1是本发明制备钙钛矿太阳能电池的主要工作流程图。 [0026] 图2是本发明钙钛矿太阳能电池的器件结构示意图。 [0027] 图3是120℃水蒸汽处理钙钛矿太阳能电池电子传输层8h的做出的器件光电转换效率和器件性能图。 [0028] 图4是120℃水蒸汽处理钙钛矿太阳能电池电子传输层16h的做出的器件光电转换效率和器件性能图。 [0029] 图5是180℃水蒸汽处理钙钛矿太阳能电池电子传输层8h的做出的器件光电转换效率和器件性能图。 [0030] 图6是180℃水蒸汽处理钙钛矿太阳能电池电子传输层16h的做出的器件光电转换效率和器件性能图。 [0031] 附图中标记说明 [0032] 1.在阴极上旋涂电子传输层;2.在密闭容器中对电子传输层进行蒸汽处理;3.钙钛矿活性层制备过程;4.空穴传输层的制备过程;5.蒸镀阳极过程;6.电池阴极;7.电子传输层;8.活性层;9.空穴传输层;10.电池阳极。 具体实施方式[0034] 实施例1 [0035] 图1是本发明制备钙钛矿太阳能电池的主要工作流程图,其中1为在阴极上旋涂电子传输层,2为在密闭容器中对电子传输层进行蒸汽处理,3为钙钛矿活性层制备过程,4为空穴传输层的制备过程,5为蒸镀阳极过程。 [0036] 图2是本发明钙钛矿太阳能电池的器件结构示意图,其中6为电池阴极,7为电子传输层,8为活性层,9为空穴传输层,10为电池阳极。 [0037] 实施例2 [0038] 采用标准钙钛矿太阳能电池制备方法,包括步骤如下: [0039] 1、选择镀有FTO电极的透明玻璃作为阳极层6,将FTO刻蚀,并将FTO玻璃衬底清洗干净。 [0040] 2、电子传输层制备:在空气中,在阴极6上旋涂40nm的二氧化钛前驱体溶液(异丙醇钛的乙醇酸性溶液),然后将其置于含有5mL去离子水的密闭的容器中,在120℃处理8h,形成电子传输层7。由图3可以得知在此工艺下处理电子传输层做出的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和器件性能。 [0041] 3、活性层制备:在手套箱(氮气,除水环境)中,在电子传输层7上旋涂350nm的甲基碘化胺(CH3NH3I)和氯化铅(PbCl2)溶液,形成活性层8。在氮气除水的手套箱中,对活性层8退火处理,温度为100℃,时间为90min; [0042] 4、空穴传输层制备:在氮气除水的手套箱中,在活性层上旋涂160nm的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)溶液形成空穴传输层9; [0043] 5、阳极电极的制备:在空穴传输层9上使用气象沉淀仪器蒸镀厚度为100nm的金(Au)作为阴极10,其蒸镀的气压环境小于4×10-4Pa。 [0044] 实施例3 [0045] 制备方法除步骤2不同外,其各层的工艺制备方法与实施例2相同。实施例2中的电子传输层的制备:在空气中,在阴极6上旋涂40nm的二氧化钛前驱体溶液(二水醋酸锌的二乙醇甲醚乙醇溶液,溶质和溶剂的体积比为1:10),然后将其置于含有5mL去离子水的密闭的容器中,在120℃处理16h,形成电子传输层7。由图4可以得知在此工艺下处理电子传输层做出的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和器件性能。 [0046] 实施例4 [0047] 制备方法除步骤2不同外,其各层的工艺制备方法与实施例2相同。实施例2中的电子传输层的制备:在空气中,在阴极6上旋涂40nm的二氧化钛前驱体溶液(草酸亚锡的乙醇酸性溶液,溶质和溶剂的体积比为1:15),然后将其置于含有10mL乙醇的密闭的容器中,在180℃处理8h,形成电子传输层7。由图5可以得知在此工艺下处理电子传输层做出的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和器件性能。 [0048] 实施例5 [0049] 制备方法除步骤2不同外,其各层的工艺制备方法与实施例2相同。实施例2中的电子传输层的制备:在空气中,在阴极6上旋涂40nm的二氧化钛前驱体溶液(异丙醇钛的乙醇酸性溶液,溶质和溶剂的体积比为1:20),然后将其置于含有25mL异丙醇的密闭的容器中,在180℃处理1h,形成电子传输层7。由图6可以得知在此工艺下处理电子传输层做出的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和器件性能。 [0050] 图3是实施例2用120℃水蒸汽处理钙钛矿太阳能电池电子传输层二氧化钛8h所做出的器件光电转换效率和器件性能图。 [0051] 图4是实施例3用120℃水蒸汽处理钙钛矿太阳能电池电子传输层16h所做出的器件光电转换效率和器件性能图。 [0052] 图5是实施例4用180℃水蒸汽处理钙钛矿太阳能电池电子传输层8h所做出的器件光电转换效率和器件性能图。 [0053] 图6是实施例5用180℃水蒸汽处理钙钛矿太阳能电池电子传输层16h所做出的器件光电转换效率和器件性能图。 [0054] 实施例2和实施例3所制备的钙钛矿太阳电池的能量转换效率如图3和图4所示,在120℃用水蒸气对电子传输层进行8h和16h的处理,用这种方法制备出的钙钛矿太阳能电池的器件性能接近,处理时间长一点的器件比处理时间短一点的性能要稍微好点,实施例4和实施例5所制备的钙钛矿太阳电池的能量转换效率如图3和图4所示,在180℃下,用水蒸气对电子传输层进行8h和16h的处理,用这种方法制备出的钙钛矿太阳能电池的器件性能接近,处理时间长一点的器件比处理是时间短一点的性能要稍微好点,但与实施例2和实施例 3相比,器件性能有了较大的提高。 [0055] 以上四个实施例都在低于180℃情况下做出高效钙钛矿太阳能电池,这比普通报道500℃高温处理电子传输层而制备的钙钛矿太阳能电池要更加节约能源,重要的是水蒸汽处理电子传输层能大幅度降低电子传输层的处理温度(降低了320~380℃),这样不仅有效减小了实验的难度,还为以后以二氧化钛等金属氧化物为电子传输层的器件走向柔性化大规模商业道路扫清障碍,对该领域工业发展有显著意义。 [0056] 以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述,该描述没有限制性,附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一,实际的结构并不局限于此。所以,如果本领域的普通技术人员受其启示,在不脱离本创造宗旨的情况下,不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例,均应属于本专利的保护范围。 |