CN104733617A

CN104733617A - 利用大晶粒形成来制备高效率钙钛矿型太阳能电池

Info

Publication number: CN104733617A
Application number: CN201510143411.0A
Authority: CN
Inventors: 朱熹; 汪敏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2015-06-24

Abstract

本发明公开了利用大晶粒形成来制备高效率钙钛矿型太阳能电池的方法，此方法至少包括：钙钛矿太阳能电池的制备依次为在导电衬底上生长空穴（或电子）传输层材料、钙钛矿型材料、电子（或空穴）传输层材料和电极材料。其中提高钙钛矿型光伏层材料的大晶粒形成会极大的提高电池的性能。在制备时需要先将两种前驱物材料溶于溶剂中得到一种黄色混合溶液，在旋涂之前需要一直保持黄色溶液的温度约65-80℃之间，并且将衬底维持在170-200℃，将黄色溶液滴到衬底上之后需要立刻以3500-5000rpm的转速旋涂约1-3秒钟，而后快速冷却约3-5秒至温度为50℃，而后自然冷却至室温，这样黄色薄膜会变成深褐色薄膜，同时可以观测到大晶粒的形成。

Description

利用大晶粒形成来制备高效率钙钛矿型太阳能电池

技术领域

本发明涉及光伏器件制备领域，具体涉及一种利用大晶粒形成的方法来提高太阳能电池的效率。

背景技术

随着传统燃料的消耗以及引起的环境问题，清洁能源越来越得到大家的重视。太阳能电池的开发和应用具有重要的战略意义。传统的硅电池已经得到了商业化，但相对成本过高。染料敏化电池需要电解质来传输载流子，在制备上有许多限制。有机小分子或者聚合物电池，虽然电池结构简单，但稳定性还需要进一步提高。

钙钛矿型太阳能电池在近几年在国际上得到迅猛发展的一种新型电池。钙钛矿型材料具有高的载流子迁移率、带隙较窄且可调、溶液法制备等特点，使得钙钛矿型材料作为吸光层，可以为电池带来更高的光电转换效率。

目前也有不少专利涉及到这个领域，比如“CN103872248A”介绍了一种省去了电子传输层的钙钛矿电池的制备方法，又比如“CN104134711A”介绍了低温下的空气环境中溶液法制备电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层的制备工艺。但以上制备工艺中没有涉及到如何提高吸光层的吸光效率从而提高电池效率的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用大晶粒形成来制备高效率钙钛矿型太阳能电池的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，其特征在于，包含以下步骤：

1）清洁导电衬底；

2）依次在导电衬底上制备空穴（或电子）传输层材料、钙钛矿型光伏层材料、电子（或空穴）传输层材料和电极材料。

进一步的，如步骤1）所述的导电衬底，其特征在于：

1）常用的透明电极材料如铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO)、铝锌氧化物(AZO)等长在玻璃或者是柔性塑料衬底上构成导电衬底;

2）用清洁剂清洗，而后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗后取出导电衬底，用氮气吹干可得到实验所需的干净的衬底。

进一步的，如步骤2)所述的空穴传输层材料，其特征在于：

1）可以起到传输空穴的作用并且防止电极（或导电沉底）与钙钛矿型光伏材料直接接触的材料；

2）电子传输材料可以为一种或多种无机和/或有机半导体材料；

3）无机半导体氧化物，如TiO₂、ZnO等，有机导电材料，如PEDOT:PSS，P3HT, PCPDTBT等；

4）厚度一般为50nm~300nm。

进一步的，如步骤2)所述的钙钛矿型光伏层材料，其特征在于：

1）结构为ABX₃型的有机无机复合的钙钛矿(其中A=CH₃NH₃ ⁺等；B=Pb²⁺，Sn²⁺等；X=Cl^-，Br^-，I^-等)；能隙为1.0eV-2.0eV，可以吸收绝大部分的紫外-可见光区域的光；厚度一般为100nm~200nm；

2）将AX和BX₂按照摩尔比为3:1~0.9:1溶于N，N-二甲基酰胺(DMF)或者N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液得到黄色的混合溶液，其中AX和BX₂的阴离子可以相同也可不同；

3）在旋涂黄色溶液之前，一直将黄色溶液保温在65~80℃之间，还需要将衬底的温度维持在170-200℃之间；

4）将黄色溶液滴在电子传输层材料之上，立刻以3500-5000rpm的转速旋涂1-3秒，而后3-5秒内温度迅速降到约50℃，并且观察到黄色薄膜变成了深褐色薄膜；

5）通过温度的处理，可以观测到具有大晶粒的微观结构的形成，有助于提高太阳能电池性能。

进一步的，如步骤2)所述的电子传输层材料，其特征在于：

1）可以起到传输电子的作用并且防止电极（或导电沉底）与钙钛矿型材料直接接触的材料；

2）电子传输层材料可以选择一种或者多种无机和/或有机半导体材料；

3）无机半导体材料，如NiO、CuO、Cu₂O、MoO₂、V₂O₅等；有机半导体材料，如PCBM、PC₇₁BM、Spiro-MeOTAD等；

4）厚度一般为50~300nm。

进一步的，如步骤2)所述的电极材料，其特征在于：

1）具有较高功函数的导电材料，如金、银、铜、铝等金属；

2）通过真空热蒸发镀膜或者导电溶液成膜等方法制备。

附图说明

图1实施例1的钙钛矿型太阳能电池结构。

图2实施例1的钙钛矿型太阳能电池旋涂在不同温度衬底之后的光学图。左图为衬底温度为120℃，可以观测到小晶粒；右图为衬底温度为180℃，可以观测到大晶粒。

图3实施例1的钙钛矿型太阳能电池的电流密度-电压的性能图像。

图4实施例2的钙钛矿型太阳能电池在衬底温度为190℃之后的光学图，可以看到较大晶粒形成。

图5实施例2的钙钛矿型太阳能电池的电流密度-电压的性能图像。

具体实施方式

根据本发明所述技术方案选取具体实例进行说明如下：

实施例1：

1）参考图1，所述的钙钛矿型太阳能电池由上而下依次为导电衬底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和电极。

2）将经过清洁剂清洗的ITO玻璃，而后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗后取出，用氮气吹干。

3）采用溶液旋涂的方法在导电衬底上旋涂PEDOT：PSS，并加热衬底维持在180℃。

4）将摩尔比为1:1的CH₃NH₃I和PbI₂的溶解在DMF溶剂中形成黄色混合溶液，并将温度维持在70℃，而后滴在衬底上，立即以4500rmp转速旋涂3秒，而后自然冷却至室温。

5）同时作为对比试验，步骤3）中的衬底温度维持在120℃，再进行步骤4），将黄色混合溶液滴在衬底上旋涂。

6）分别对步骤4）和步骤5）的钙钛矿层上方旋涂PCBM溶液。

7）在PCBM上面生长铝电极。

实施例1中钙钛矿层旋涂于衬底温度为120℃和180℃之后的光学图，分别如图2（a）和（b）所示，可以观察到小晶粒和大晶粒。

实施例1中的两种器件的太阳能电池性能测试如图3所示。两个太阳能电池都采用了AM1.5 100mW/cm²标准光强照射下，小晶粒的性能参数分别为：开路电压为0.75 V，短路电流为11.45 mA/cm²，填充因子为0.59，转换效率为5.07%；大晶粒的性能参数分别为：开路电压为0.76 V，短路电流为22.30 mA/cm²，填充因子为0.60，转换效率为10.17% 。

实施例2：

1）将经过清洁剂清洗的ITO玻璃，而后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗后取出，用氮气吹干。

2）采用溶液旋涂的方法在导电衬底上旋涂TiO₂的前驱物溶液，而后放到马弗炉中加热到150-200℃后低温处理约30分钟，而后在进行步骤3）之前维持衬底在190℃。

3）将摩尔比为1:1的CH₃NH₃Cl和PbI₂的溶解在NMP溶剂中形成黄色混合溶液，并将温度维持在70℃，而后滴在衬底上，立即以4000rmp转速旋涂2秒，而后自然冷却至室温。

4）在钙钛矿层上方旋涂Spiro-MeOTAD溶液。

6）在Spiro-MeOTAD上面生长银电极。

实施例2中钙钛矿层旋涂在衬底温度为190℃之后的光学图，如图4所示,可以看到比较大的晶粒。

实施例2中的两种器件的太阳能电池性能测试如图5所示。都采用了AM1.5 100mW/cm²标准光强照射下，性能参数分别为：开路电压为0.74 V，短路电流为19.47 mA/cm²，填充因子为0.70，转换效率为10.08%.

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.利用大晶粒形成来制备高效率钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，包含以下步骤：

1）清洗导电衬底；

2）依次在导电衬底上生长或制备空穴（或电子）传输层材料、钙钛矿型光伏层材料、电子（或空穴）传输层材料和电极材料。

2.如权利1要求所述的导电衬底，其特征在于:

1）将常用的透明电极材料如铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO)、铝锌氧化物(AZO)等长在玻璃或者是柔性塑料衬底上构成导电衬底;

2）先用清洁剂清洗，而后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗后取出导电衬底，用氮气吹干可得到实验所需的干净的导电衬底。

3.如权利1要求所述的空穴传输层材料，其特征在于:

2）空穴传输材料可以为一种或多种无机和/或有机半导体材料；

3）无机半导体氧化物，如TiO₂、ZnO等，有机导电材料，如PEDOT:PSS,P3HT，PCPDTBT等；

4）厚度一般为50nm~300nm。

4.如权利1要求所述的钙钛矿型光伏层材料，其特征在于:

5.如权利1要求所述的电子传输层材料，其特征在于:

4）厚度一般为50~300nm。

6.如权利1要求所述的电极材料，其特征在于：

1）具有较高功函数的导电材料，如金、银、铜、铝等金属；

2）通过真空热蒸发镀膜或者导电溶液成膜等方法制备。