CN106449989A - 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。在阴极基底上，室温下采用射频磁控溅射制备氧化铌薄膜形成传输电子的电子传输层；在电子传输层上制备钙钛矿吸光层，再依次制备用于传输空穴的空穴传输层和收集空穴的阳极，得到钙钛矿太阳能电池。本发明在室温条件下制备氧化铌电子传输层的方法，具有工艺简单、可控，制备的氧化铌薄膜均匀性、重复性好的特点，可实现大规模生产；同时，室温条件下利用射频磁控溅射方法制备的氧化铌薄膜作为电子传输层无需高温煅烧，使得整个钙钛矿太阳能电池的生产过程都能在低温下进行（≤100 ℃），尤其适用于柔性衬底。

Description

一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，特别涉及一种低温制备电子传输层的方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
钙钛矿太阳能电池凭借其材料具有较好的光吸收能力、较低的激子结合能以及较长的载流子扩散长度等优异性质，在过去的几年内备受关注，电池的光电转换效率迅速攀升至22.1%。另外，钙钛矿太阳能电池具有较为简单的电池结构、简易的溶液法制备过程以及低成本等特点，逐渐成为一种极具竞争力的太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池一般采用三明治结构，将钙钛矿吸光层置于电子传输层和空穴传输层之间。其中，小分子或聚合物常用作电池的空穴传输材料，金属氧化物常用作电子传输材料。其中，电子传输层在高效率的钙钛矿太阳能电池中起着至关重要的作用。为制备高效率的钙钛矿太阳能电池，要求电子传输层在可见光范围内具有较高的透光性以及较强的电子提取能力等特点。在高效的钙钛矿太阳能电池结构中，通常采用氧化钛作为电子传输材料，但是一般制备的氧化钛薄膜需要高温煅烧（> 450℃）来确保其优异的电子传输能力，显然，高温处理的过程需要较高的能耗且不能实施在柔性的衬底上，极大地限制了钙钛矿电池的推广应用。因此，开发一种低温制备的电子传输材料对钙钛矿未来的发展尤为重要。
五氧化二铌（简称氧化铌）是一种典型的N型半导体材料，具有与氧化钛类似的光学带隙、能级位置和电荷传输特性，以及优异的化学稳定性等特点，但将其作为钙钛矿太阳能电池电子传输层的材料还未见报道。
发明内容
本发明针对现有的技术存在的不足，采用在室温下制备氧化铌薄膜作为钙钛矿太阳能电池电子传输层，提供一种工艺简单，成本低，效率高的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：提供一种钙钛矿太阳能电池，包括基底，阴极，电子传输层，钙钛矿吸光层，空穴传输层和阳极，所述电子传输层为氧化铌薄膜，薄膜厚度为30～400纳米。
本发明所述的一种钙钛矿太阳能电池，阴极为氧化铟锡或掺氟氧化锡。
所述的基底包括柔性的聚对苯二甲酸乙二醇酯基底或刚性的玻璃基底中的一种。
本发明技术方案还包括一种如上所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，步骤如下：
（1）室温条件下，在阴极基底上，采用射频磁控溅射方法制备氧化铌薄膜，形成传输电子的电子传输层；溅射功率为50～200瓦，溅射压强为2～6毫托，靶材与样品间的距离为10～25厘米，氧化铌薄膜的厚度为30～400纳米；
（2）将电子传输层的基底进行紫外臭氧处理5～20分钟；
（3）在电子传输层上采用旋涂钙钛矿前驱体溶液，用氯苯诱导结晶的方法制备钙钛矿薄膜，形成钙钛矿吸光层；
（4）在钙钛矿吸光层上依次制备用于传输空穴的空穴传输层和收集空穴的阳极，得到钙钛矿太阳能电池。
本发明的一个优选方案还可以将室温下磁控溅射制备的电子传输层在温度为100～500 ℃的条件下退火处理30～90分钟。
与现有的技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在室温下用磁控溅射方法制备氧化铌电子传输层，无需煅烧，整个生产过程都能在低温下进行，方法简单便捷；制备的氧化铌薄膜具有均匀性、重复性好的特点；以刚性或柔性衬底为基底，将其作为电子传输层，制备得到高效率的钙钛矿太阳能电池。
附图说明
图1是本发明提供的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图中：1、阴极；2、电子传输层；3、吸光层；4、空穴传输层；5、阳极。
图2是本发明实施例1提供的在刚性基底上室温制备的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
图3是本发明实施例3提供的在柔性基底上室温制备的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。
实施例1
参见附图1，它是本发明提供的钙钛矿太阳能电池的结构示意图，它包括刚性的玻璃衬底基底，阴极1，电子传输层2，钙钛矿吸光层3，空穴传输层4和阳极5，器件的制备方法包括如下步骤：
步骤一，对玻璃衬底及透明电极所组成的阴极1分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇和丙酮进行清洗。对基底进行紫外臭氧处理20分钟后，室温下，采用磁控溅射制备氧化铌薄膜形成用于传输电子的电子传输层2：射频溅射，功率是150瓦，靶材与样品的距离是15厘米，形成150纳米的氧化铌电子传输层2。采用紫外光电子能谱仪测得氧化铌薄膜的功函数是4.10 eV，与钙钛矿吸光层的导带能级相匹配，有利于电子的传输。
步骤二，对基底进行紫外臭氧处理10分钟，在电子传输层2上利用旋涂法制备钙钛矿吸光层3，具体是将碘化铅和甲胺基碘以摩尔比为1:1的量混合，并用两种不同的溶剂混合溶解，得到一定浓度的钙钛矿前驱体溶液，旋涂前驱体溶液在适当的时候滴入氯苯诱导结晶，等溶剂进一步挥发后，100 ℃下退火10分钟，得到约450纳米厚度的钙钛矿吸光层3。
步骤三，钙钛矿层3冷却至室温后，在其上依次制备厚度为180纳米左右的空穴传输层4和厚度为100纳米的金作为电池的阳极5，得到如图1结构所示的太阳能电池。
参见附图3，它是对本实施例提供的在刚性基底上室温制备的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图；在AM 1.5, 100 mW/cm2的标准测试条件下，测得刚性基底器件的短路电流是22.4 mA/cm2，开路电压是1.07V，填充因子是69%，效率达到16.5%。
实施例2
本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池，其结构如图1所示，具体制备步骤如下：
步骤一，对玻璃衬底及透明电极所组成的阴极1分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇和丙酮进行清洗。对基底紫外臭氧20分钟后，室温下采用磁控溅射制备氧化铌薄膜形成用于传输电子的电子传输层2：射频溅射，功率是100瓦，靶材与样品的距离是15厘米，形成100纳米的氧化铌电子传输层2。
步骤二，将制备的氧化铌电子传输层2在空气中500 ℃退火45分钟得到六方晶型的氧化铌，紫外臭氧10分钟，在电子传输层2上利用旋涂法制备钙钛矿吸光层3；具体的将碘化铅和甲胺基碘以摩尔比为1:1的量混合，并用两种不同的溶剂混合溶解，得到一定浓度的钙钛矿前驱体溶液，旋涂前驱体溶液在适当的时候滴入氯苯诱导结晶，等溶剂进一步挥发后，100 ℃下退火10分钟，得到400纳米左右厚度的钙钛矿吸光层3。
步骤三，钙钛矿层3冷却至室温后，在其上依次制备厚度为180纳米左右的空穴传输层4，将样品转移到热蒸发***中蒸镀厚度为100纳米的金作为电池的阳极5，从而得到太阳能电池。
在AM 1.5，100mW/cm2的标准测试条件下，测得本实施例提供的器件的短路电流为22.4 mA/cm2，开路电压为1.05 V，填充因子为73%，光电转换效率为17.2%。
实施例3
本实施例提供一种如图1所示的钙钛矿太阳能电池的制备方法，采用柔性基底，具体步骤如下：
步骤一，对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）及透明电极所组成的阴极1分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇和丙酮进行清洗。对基底进行紫外臭氧处理20分钟后，室温下采用磁控溅射制备氧化铌薄膜形成用于传输电子的电子传输层2：射频溅射，功率是50瓦，靶材与样品的距离是15厘米，形成50纳米的氧化铌电子传输层2。
步骤二，对基底进行紫外臭氧处理10分钟，在电子传输层2上利用旋涂法制备钙钛矿吸光层3，具体的方法是将碘化铅和甲胺基碘以摩尔比为1:1的量混合，并用两种不同的溶剂混合溶解，得到一定浓度的钙钛矿前驱体溶液，旋涂前驱体溶液在适当的时候滴入氯苯诱导结晶，待溶剂进一步挥发后，100℃下退火10分钟，得到厚度约350纳米的钙钛矿吸光层3。
步骤三，钙钛矿层3冷却至室温后，在其上依次制备厚度约为180纳米的空穴传输层4和厚度为100纳米的金作为电池的阳极5，得到太阳能电池。
参见附图3，它是本实施例提供的在柔性基底上室温制备的氧化铌薄膜作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。在AM 1.5，100mW/cm2标准测试条件下，测得器件的短路电流是21.3 mA/cm2，开路电压是1.04V，填充因子是60%，效率达到13.3%。
表1列出本发明实施例提供的器件参数。
表1
。

Claims (5)

1.一种钙钛矿太阳能电池，包括基底，阴极（1），电子传输层（2），钙钛矿吸光层（3），空穴传输层（4）和阳极（5），其特征在于：所述电子传输层（2）为氧化铌薄膜，薄膜厚度为30～400纳米。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的阴极（1）为氧化铟锡或掺氟氧化锡。
3.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的基底包括柔性的聚对苯二甲酸乙二醇酯基底或刚性的玻璃基底中的一种。
4.一种如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）室温条件下，在阴极基底上，采用射频磁控溅射方法制备氧化铌薄膜，形成传输电子的电子传输层；溅射功率为50～200瓦，溅射压强为2～6毫托，靶材与样品间的距离为10～25厘米，氧化铌薄膜的厚度为30～400纳米；
（2）将电子传输层的基底进行紫外臭氧处理5～20分钟；
（3）在电子传输层上采用旋涂钙钛矿前驱体溶液，用氯苯诱导结晶的方法制备钙钛矿薄膜，形成钙钛矿吸光层；
（4）在钙钛矿吸光层上依次制备用于传输空穴的空穴传输层和收集空穴的阳极，得到钙钛矿太阳能电池。
5.根据权利要求4所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：将室温下磁控溅射制备的电子传输层在温度为100 ℃的条件下退火处理30～90分钟。
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