CN104319349A - 以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池及制备 - Google Patents

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Abstract

以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池及制备，涉及太阳能电池。太阳能电池自下至上依次设有透明导电玻璃衬底、ZnO电子传输层、钙钛矿型材料层、空穴传输层和金属背电极层。将衬底预处理，在衬底上制备ZnO薄膜，再加热，退火，即溅射ZnO电子传输层；配制PbI2的DMF溶液，再旋涂在电子传输层上制得PbI2薄膜，然后浸入CH3NH3I的异丙醇溶液，即得钙钛矿型材料层；将2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂的乙腈溶液、4-叔丁基吡啶溶解在氯苯溶液中，再旋涂在钙钛矿型材料层上，制得空穴传输层，再制备金属背电极层，即得。

Description

以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池及制备
技术领域
本发明涉及太阳能电池，特别是涉及一种以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池及制备方法。
背景技术
随着全球经济的发展，能源消耗越来越多，其中像石油资源越来越少，能源问题必将会成为今后的一个重大问题。太阳能为可再生资源，且具有取之不尽用之不竭的特点，因此太阳能电池的发展具有重要的意义。但是现今的太阳能电池要不光电转换效率低，要不成本太高。目前，硅太阳能电池具有较高的效率，但是在制备过程中需高温、高真空，成本非常高。有机聚合物太阳能电池具有成本较低、无毒、制备容易、可大面积柔性制造等特点，但其光电转换效率还较低。
钙钛矿型太阳能电池，为光伏领域的一个新成员，其吸光材料是基于有机-无机杂化的钙钛矿结构(最常见的为CH3NH3PbI3)的半导体材料，吸光范围宽，且自身具有高的载流子迁移率及较长的载流子寿命，光生电子和空穴能够迁移较长的距离，有利于其被外电路收集形成电流，因而电池能够获得高的光电转换效率。
目前，基于CH3NH3PbI3的钙钛矿型电池通常采用TiO2作为电子传输层，并且能够获得比较高的效率。但是此TiO2电子传输层结构需要两层结构，一层为致密的TiO2层，一层为介孔结构的TiO2层，而且都需要高达500℃温度烧结制备，两层厚度300nm以上，工艺较为复杂。
而采用溅射ZnO薄膜作为电子传输层，仅需要20nm以上，同时仅需一层，制备工艺较为简单，且具有较高的效率。
中国专利CN104091888A公开一种钙钛矿型太阳能电池及其制备方法。所述钙钛矿型太阳能电池由FTO玻璃基底、三明治结构TiO2/ZnO/TiO2致密层、TiO2介孔/钙钛矿结构材料活性吸光层、spiro-OMeTAD空穴传输层与金电极组成。
中国专利CN104051629A公开一种基于喷涂工艺制备钙钛矿型太阳能电池的方法，具体为通过在透明导电基底上依次喷涂空穴传输层、钙钛矿活性层、电子传输层以及顶电极而制备得到。通过改变喷涂工艺的不同参数，可以实现对器件质量及性能的调控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池及其制备方法。
所述以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池设有透明导电玻璃衬底、ZnO电子传输层、钙钛矿型材料层、空穴传输层和金属背电极层，透明导电玻璃衬底、ZnO电子传输层、钙钛矿型材料层、空穴传输层和金属背电极层从下至上依次叠层；
所述钙钛矿型材料层为CH3NH3PbI3层，所述空穴传输层为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)空穴传输层；所述金属背电极层为Au背电极层或Ag背电极层。
所述透明导电玻璃衬底可采用铟锡氧化物(ITO)为导电层的导电玻璃衬底，所述透明导电玻璃衬底的厚度可为100～150nm。
所述ZnO电子传输层的厚度可为20～120nm。
所述钙钛矿型材料层的厚度可为20～120nm。
所述空穴传输层的厚度可为40～60nm。
所述金属背电极层的厚度可为60～150nm。
所述以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将透明导电玻璃衬底去除油脂和有机物，然后超声洗涤，氮气吹干，即得预处理后的透明导电玻璃衬底；
2)在步骤1)所得预处理后的透明导电玻璃衬底上制备ZnO薄膜，再加热，退火，即溅射ZnO电子传输层；
3)配制PbI2的DMF溶液，再将PbI2的DMF溶液旋涂在ZnO电子传输层上，制得黄色的PbI2薄膜，干燥后将PbI2薄膜浸入CH3NH3I的异丙醇溶液，然后用异丙醇漂洗，氮气吹干，即得棕色CH3NH3PbI3层；
4)将2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(Li-TFSI)的乙腈溶液、4-叔丁基吡啶(TBP)溶解在氯苯溶液中，再旋涂在CH3NH3PbI3层上，制得空穴传输层；
5)在空穴传输层上制备金属背电极层，即制得钙钛矿型太阳能电池。
在步骤1)中，所述透明导电玻璃衬底的尺寸可为25mm×25mm；所述去除油脂和有机物可采用洗洁精和去离子水洗涤15min；所述超声洗涤可依次用丙酮、乙醇、去离子水超声洗涤10min。
在步骤2)中，所述制备ZnO薄膜的方法可采用磁控溅射法制得所需厚度的ZnO薄膜；所述加热的条件可在150℃下加热10min。
在步骤3)中，所述配制PbI2的DMF溶液的温度可在70℃下；所述PbI2的DMF溶液的摩尔浓度可为1mol/L；所述旋涂可采用匀胶机旋涂；所述干燥的时间可为5min；所述CH3NH3I的异丙醇溶液的质量浓度可为10mg/mL。
在步骤4)中，所述2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(Li-TFSI)的乙腈溶液、4-叔丁基吡啶(TBP)的配比可为80mg∶17.5μL∶28.5μL，其中，2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)以质量计算，二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(Li-TFSI)的乙腈溶液和4-叔丁基吡啶(TBP)以体积计算，所述二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(Li-TFSI)的乙腈溶液的质量浓度可为520mg/ml；所述旋涂可通过溶液旋涂的方法。
在步骤5)中，所述在空穴传输层上制备金属背电极层的方法可为：在4×10-4真空条件下采用热蒸镀法在空穴传输层上制备金属背电极层。
本发明的优点和积极效果是：
1、在钙钛矿型太阳能电池中采用溅射ZnO为电子传输层，此溅射ZnO薄膜具有优选c轴取向和低缺陷浓度，具有较高的电子传输能力，电荷分离出的电子能够较为有效地被外电路收集形成电流，光电转换效率较高。
2、本发明以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池，制作简便，仅需一层，且厚度较低(120nm以下)，不需要两层。
3、本发明以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池的光电转换效率高。
附图说明
图1为本发明的钙钛矿型太阳能电池实施例的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
一种以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池，如图1所示，由透明导电玻璃衬底1、电子传输层2、钙钛矿型材料层3、空穴传输层4和Au/Ag金属背电极层5组成并依次构成叠层结构，所述透明导电玻璃衬底1为ITO导电玻璃；电子传输层2为溅射ZnO薄膜，厚度为40nm；钙钛矿型材料层3为CH3NH3PbI3层，厚度为300nm；空穴传输层4为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)层，厚度为40nm；金属背电极层5为Ag，厚度为100nm。
实施例2：
一种以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池，由透明导电玻璃衬底、电子传输层、钙钛矿型材料层、空穴传输层和Au/Ag金属背电极层组成并依次构成叠层结构，所述透明导电玻璃衬底为ITO导电玻璃；电子传输层为溅射ZnO薄膜，厚度为20nm；钙钛矿型材料层为CH3NH3PbI3层，厚度为300nm；空穴传输层为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)层，厚度为40nm；金属背电极层为Ag，厚度为60nm。
实施例3：
一种以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池，由透明导电玻璃衬底、电子传输层、钙钛矿型材料层、空穴传输层和Au/Ag金属背电极层组成并依次构成叠层结构，所述透明导电玻璃衬底为ITO导电玻璃；电子传输层为溅射ZnO薄膜，厚度为120nm；钙钛矿型材料层为CH3NH3PbI3层，厚度为300nm；空穴传输层为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)层，厚度为40nm；金属背电极层为Au，厚度为60nm。
实施例4：
一种以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池，如图1所示，由透明导电玻璃衬底、电子传输层、钙钛矿型材料层、空穴传输层和Au/Ag金属背电极层组成并依次构成叠层结构，所述透明导电玻璃衬底为ITO导电玻璃；电子传输层为溅射ZnO薄膜，厚度为40nm；钙钛矿型材料层为CH3NH3PbI3层，厚度为300nm；空穴传输层为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)层，厚度为40nm；金属背电极层为Au，厚度为150nm。
以下给出测试结果：钙钛矿型太阳能电池制备完成后，将Au(Ag)阴极一端接电流表正极，ITO阳极一端接电流表负极。测试数据见表1。
表1
实施例 Jsc/mA Voc/V FF PCE(％)
1 13.46 0.98 0.42 6.78
2 13.72 0.92 0.44 6.21
3 14.56 0.98 0.43 6.57
4 12.08 0.92 0.45 5.73
结果表明：在AM 1.5G(100mW/cm2)光照下,Jsc、Voc、FF、PCE分别至少在12mA/cm2、0.92V、0.42、5.73％以上，最高光电转换效率达到6.78％。

Claims (10)

1.以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池，其特征在于设有透明导电玻璃衬底、ZnO电子传输层、钙钛矿型材料层、空穴传输层和金属背电极层，透明导电玻璃衬底、ZnO电子传输层、钙钛矿型材料层、空穴传输层和金属背电极层从下至上依次叠层；
所述钙钛矿型材料层为CH3NH3PbI3层，所述空穴传输层为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)空穴传输层；所述金属背电极层为Au背电极层或Ag背电极层。
2.如权利要求1所述以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池，其特征在于所述透明导电玻璃衬底采用铟锡氧化物为导电层的导电玻璃衬底。
3.如权利要求1所述以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池，其特征在于所述透明导电玻璃衬底的厚度为100～150nm，所述ZnO电子传输层的厚度为20～120nm，所述钙钛矿型材料层的厚度为20～120nm，所述空穴传输层的厚度为40～60nm，所述金属背电极层的厚度为60～150nm。
4.如权利要求1～3任一所述以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将透明导电玻璃衬底去除油脂和有机物，然后超声洗涤，氮气吹干，即得预处理后的透明导电玻璃衬底；
2)在步骤1)所得预处理后的透明导电玻璃衬底上制备ZnO薄膜，再加热，退火，即溅射ZnO电子传输层；
3)配制PbI2的DMF溶液，再将PbI2的DMF溶液旋涂在ZnO电子传输层上，制得黄色的PbI2薄膜，干燥后将PbI2薄膜浸入CH3NH3I的异丙醇溶液，然后用异丙醇漂洗，氮气吹干，即得棕色CH3NH3PbI3层；
4)将2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂的乙腈溶液、4-叔丁基吡啶溶解在氯苯溶液中，再旋涂在CH3NH3PbI3层上，制得空穴传输层；
5)在空穴传输层上制备金属背电极层，即制得钙钛矿型太阳能电池。
5.如权利要求4所述以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述去除油脂和有机物采用洗洁精和去离子水洗涤15min；所述超声洗涤可依次用丙酮、乙醇、去离子水超声洗涤10min。
6.如权利要求4所述以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述制备ZnO薄膜的方法采用磁控溅射法制得所需厚度的ZnO薄膜。
7.如权利要求4所述以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述加热的条件是在150℃下加热10min。
8.如权利要求4所述以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述配制PbI2的DMF溶液的温度是在70℃下；所述PbI2的DMF溶液的摩尔浓度可为1mol/L；所述旋涂可采用匀胶机旋涂；所述干燥的时间可为5min；所述CH3NH3I的异丙醇溶液的质量浓度可为10mg/mL。
9.如权利要求4所述以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(Li-TFSI)的乙腈溶液、4-叔丁基吡啶(TBP)的配比为80mg∶17.5μL∶28.5μL，其中，2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)以质量计算，二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(Li-TFSI)的乙腈溶液和4-叔丁基吡啶(TBP)以体积计算，所述二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(Li-TFSI)的乙腈溶液的质量浓度可为520mg/ml；所述旋涂可通过溶液旋涂的方法。
10.如权利要求4所述以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述在空穴传输层上制备金属背电极层的方法为：在4×10-4真空条件下采用热蒸镀法在空穴传输层上制备金属背电极层。
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