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一种有机无机杂化钙 钛矿 太阳能 电池及其制备方法

阅读：536发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种有机无机杂化钙钛矿太阳能电池及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，所述电池包括透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极，其中电子传输层是在电子传输材料中掺杂碱金属卤化物后制成。本发明通过将卤化钾掺入电子传输层的方法，可同时减小钙钛矿与电子传输层界面以及钙钛矿体内的缺陷，降低钙钛矿电池的非辐射复合损失，从而提升电池的转换效率。该方法高效易行，可将钙钛矿电池的转换效率提升至22%以上，且适合大规模的生产。，下面是一种有机无机杂化钙钛矿太阳能电池及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于：包括透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极；
所述电子传输层是在电子传输材料中掺杂碱金属卤化物后制成；
所述电子传输层为n-型半导体的纳米晶、非晶或多晶薄膜；
所述钙钛矿吸光层为纯铅钙钛矿层、纯锡钙钛矿层或铅锡共混钙钛矿层中的一种。
2.根据权利要求1所述的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述碱金属卤化物中，碱金属为钾或钠。
3.根据权利要求1所述的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述空穴传输层采用p型半导体材料制成。
4.权利要求1所述的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，采用导电玻璃作为透明电极；
步骤2，将碱金属卤化物加至电子传输层溶液中，采用旋涂和退火工艺，制成厚度为10-
200 nm的电子传输层；
步骤3，采用连续沉积的方法，通过旋涂和退火在电子传输层上制备得到厚度为300-
1200 nm的钙钛矿吸光层；
步骤4，将空穴传输层溶液通过旋涂法，在钙钛矿吸光层上形成一层100-300nm 的空穴传输层；
步骤5，采用热蒸发或电子束沉积的方法，在空穴传输层表面制备50-120 nm的金属电极。

说明书全文

一种有机无机杂化钙 钛矿 太阳能 电池及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种有机无机杂化钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着全球人口增加气候变化加剧，社会和经济发展迅速，人们对能源的需求日益增加。目前，人类依赖的能源形式主要还是煤、石油、天然气等化石燃料。这些燃料有限的储存量加之带来的严重环境污染问题，使得寻求清洁的可再生能源变为当务之急。太阳能，作为一种“取之不尽，用之不竭”的绿色能源，正日益受到各国研究者的青睐。钙钛矿太阳能电池，作为一种前景广阔的太阳能转化器件，在近十年内得到了迅猛的发展，光电转化效率由最初的3.8%上升到25.2%。钙钛矿电池的材料成本较低，生产工艺简单，且转化效率很高，有望成为下一代商用太阳能电池。

[0003] 虽然目前钙钛矿电池的转化效率高达25.2%，但与其理论极限（肖克利-奎伊瑟极限）相比还是有较大的差距。尤其在开路电压方面，对于带隙为1.53 eV的钙钛矿电池来说，其开路电压（Voc）的理论值应在1.25 V。而目前大多数的实验值在1.15 V以下，距离1.25 V较远。如何进一步提升开路电压进而提升钙钛矿电池的效率成为一个重要的课题。

发明内容

[0004] 为了解决现有钙钛矿电池中的开路电压损耗大的技术问题，本发明提供了一种有机无机杂化钙钛矿太阳能电池及其制备方法，通过将碱金属卤化物掺杂到电子传输层中，实现电子传输层-钙钛矿层界面和钙钛矿层晶界的钝化，减小非辐射复合的占比，从而提升电池的开路电压和转换效率。

[0005] 为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，包括透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极；
所述电子传输层是在电子传输材料中掺杂碱金属卤化物后制成；
所述电子传输层为n-型半导体的纳米晶、非晶或多晶薄膜；
所述钙钛矿吸光层为纯铅钙钛矿层、纯锡钙钛矿层或铅锡共混钙钛矿层中的一种。

[0006] 进一步地，所述碱金属卤化物中，碱金属为钾或钠。

[0007] 进一步地，所述空穴传输层采用p型半导体材料制成。

[0008] 上述有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：步骤1，采用导电玻璃作为透明电极；
步骤2，将碱金属卤化物加至电子传输层溶液中，采用旋涂和退火工艺，制成厚度为10-
200 nm的电子传输层；
步骤3，采用连续沉积的方法，通过旋涂和退火在电子传输层上制备得到厚度为300-
1200 nm的钙钛矿吸光层；
步骤4，将空穴传输层溶液通过旋涂法，在钙钛矿吸光层上形成一层100-300nm 的空穴传输层；
步骤5，采用热蒸发或电子束沉积的方法，在空穴传输层表面制备50-120 nm的金属电极。

[0009] 有益效果：本发明通过在电子传输层中掺杂碱金属卤化物，可同时减小钙钛矿与电子传输层界面以及钙钛矿体内的缺陷，降低钙钛矿电池的非辐射复合损失，实现界面和晶界钝化的目标，减小非辐射复合的占比，从而提升电池的开路电压和转换效率。附图说明

[0010] 图1为本发明的钙钛矿太阳能电池的结构图。

[0011] 图2为实施例1中掺杂氯化钾与未掺杂氯化钾的钙钛矿太阳能电池的性能曲线。

具体实施方式

[0012] 如图1所示，本发明提供了一种有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，包括透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极。

[0013] 通常，电子传输层与钙钛矿的界面以及钙钛矿晶界处是缺陷聚集的地方，会导致电池产生非辐射复合损失，从而影响电池的转换效率。本发明通过在电子传输层材料中加入碱金属卤化物，可以同时降低界面与晶界处的缺陷，减小载流子的损失，降低钙钛矿电池的非辐射复合的占比损失，从而提升电池的开路电压转换效率。

[0014] 所述的电子传输层是在电子传输材料中掺杂碱金属卤化物后制成。所述电子传输材料是具有较高的光透过率与电子迁移率的n-型半导体，具体可以是二氧化钛、二氧化锡等。

[0015] 所述的钙钛矿吸光层为纯铅，纯锡或是铅锡共混钙钛矿层，所采用的钙钛矿材料为ABX3，其中A位可以是铯离子（Cs+），甲胺离子（MA+）和甲醚离子（FA+）中的任何一种或两种或者三种的任意比例混合。其中B位是铅离子（Pb2+）和/或锡离子（Sn2+）共混，并且Sn2+所占金属离子的比例可以是0%到100%中的任何比例。其中X位可以是碘离子（I-），溴离子（Br-）和氯离子（Cl-）中的任何一种或两种或者三种的任意比例混合。

[0016] 在电子传输材料中掺杂碱金属卤化物，一方面，碱金属卤化物与电子传输材料混合，可以修饰电子传输层与钙钛矿吸光层界面，减小其界面缺陷从而降低非辐射复合，提高界面的电子抽取能力；另一方面，在电子传输层与钙钛矿吸光层界面的碱金属离子可以在钙钛矿旋涂及退火的过程中扩散到钙钛矿膜层，并主要聚集在钙钛矿晶界处，钝化晶界处缺陷，降低非辐射复合。

[0017] 所述的碱金属卤化物，碱金属能够同时起到钝化界面和晶界的作用，可以是钠或者钾。由于钾在晶界处的钝化效果更优，所以在本发明中优选碱金属为钾。

[0018] 以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照本领域常规条件。

[0019] 实施例1有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备
步骤1，采用导电玻璃（ITO）作为透明电极，用清洗剂、丙酮、异丙醇依次清洗透明导电玻璃（ITO）后，将其置于紫外臭氧处理机中照射20分钟，清除衬底表面的有机残留物。

[0020] 步骤2，制备含有卤化钾的电子传输层，将卤化钾粉末溶解于电子传输层溶液中，随后采用旋涂和退火的工艺，形成厚度在10-200 nm的电子传输层。具体如下：称取7.5 mg 氯化钾粉末溶解于2 mL的去离子水中，震荡混合均匀，加入0.5 mL的二氧化锡纳米晶胶体溶液（15 wt%），震荡混合均匀，得到含有氯化钾的二氧化锡胶体溶液。

[0021] 将含有氯化钾的二氧化锡胶体溶液旋涂至紫外臭氧处理完的透明导电玻璃上，转速3000转每分钟，旋涂时间为30秒。随后将旋涂完成的二氧化锡薄膜于空气中150℃退火30分钟，制得含有卤化钾的二氧化锡电子传输层。

[0022] 步骤3，制备钙钛矿层，采用连续沉积的方法制备钙钛矿薄膜:首先在电子传输层上旋涂碘化铅，随后在形成的碘化铅薄膜上旋涂有机盐溶液，通过控制旋涂的转速和退火条件使两者充分反应，得到300-1200 nm厚度的钙钛矿吸光层。具体如下：取625 mg的碘化铅溶解于 0.1 mL的DMSO和 0.9 mL 的DMF中，搅拌1小时至溶液澄清，得到碘化铅溶液。

[0023] 取1100 mg甲眯碘(FAI)、110 mg甲胺溴(MABr) 和 110 mg甲胺氯(MACl)加至15 mL异丙醇中，搅拌1小时使其充分溶解至澄清，得到FAI-MABr-MACl混合液。

[0024] 将碘化铅溶液旋涂在二氧化锡电子传输层上，转速为1600 转每分钟，时间为40 秒。然后置于加热台70 ℃退火1分钟。待碘化铅膜层降至室温，将FAI-MABr-MACl混合液旋涂在碘化铅膜层上，转速为1800 转每分钟，时间为30 秒。随后置于空气（相对湿度控制在20-30%）中140℃退火15分钟。

[0025] 步骤4，制备空穴传输层取72.3 mg 的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴溶解于1 mL的氯苯溶液中，震荡使其成为澄清溶液。取520 mg的双三氟甲烷磺酰亚胺锂粉末溶解于1 mL的乙腈溶剂中，震荡使其成为澄清溶液。取28.8 μL 的四叔丁基吡啶加入上述配好的1mL Spiro中，随后再加入17.5 μL配好的Li-TFSI 的乙腈溶液，震荡均匀，得到混合溶液将配好的混合溶液旋涂于钙钛矿膜层，转速为3000转每分钟，时间是20秒。

[0026] 步骤5，制备顶电极利用热蒸镀技术，在Spiro表面蒸镀70 nm的金电极。

[0027] 将电池置于太阳光模拟器下（AM 1.5G，100 mW/cm2），测试电池性能，如下表所示：条件 Voc (V) Jsc (mA cm-2) FF (%) PCE (%)
未处理 1.077 24.0 77.9 20.2
处理 1.137 24.2 80.7 22.2
由上表和图2可知，氯化钾修饰电子传输材料的钙钛矿电池的效率为22.2%，而未经氯化钾处理的电池效率只有20.2%。其效率提升主要来源于开路电压的提升，处理过的样品开路电压为1.137 V，未处理的样品为1.077 V。

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