CN107154461B - 基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池，包括ITO导电玻璃基底、紫外光屏蔽层、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层和反射电极组成；所述的紫外屏光蔽层由N个依次层叠的m‑MTDATA/F16CuPc异质结所组成。本发明能够显著提高钙钛矿光伏电池的工作寿命。

Description

基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体为基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池及其制造方法。

背景技术

钙钛矿太阳能电池由于其成本低，性能好，制备简单收到科研以及产业界的高度重视。钙钛矿材料从2009年用于太阳能电池，到目前效率已经达到将近20％。钙钛矿太阳能电池是近几年来发展非常迅速的低成本薄膜太阳能电池。钙钛矿太阳能电池结构核心是具有钙钛矿晶型( ABX3 )的有机金属卤化物吸光材料。在这种钙钛矿ABX3结构中，A为甲胺基( CH3NH3 )，B为金属铅原子，X为氯、溴、碘等卤素原子。目前在高效钙钛矿型太阳能电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺( CH3NH3PbI3 )，它的带隙约为1.5eV，消光系数高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太阳光。而且，这种材料制备简单，将含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜。上述特性使得钙钛矿型结构CH3NH3PbI3不仅可以实现对可见光和小部分近红外光的吸收，而且所产生的光生载流子不易复合，能量损失小，这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。

虽然碘化铅甲胺钙钛矿太阳能电池效率已经获得了较高的提升，但是钙钛矿电池的工作寿命低下仍然是限制其应用的一个重要原因。钙钛矿电池寿命低下的一个方面的原因是电池工作时紫外光的照射。紫外光对钙钛矿材料具备极大的破坏左右。传统的钙钛矿太阳能电池使用ITO、FTO导电玻璃作为电极，电池工作时，太阳光经过导电玻璃到达电池的内部。虽然，绝大多数的深紫外和中紫外光被导电玻璃所吸收，但是部分近紫外光仍然能够到达电池的钙钛矿光吸收层，照射到钙钛矿光吸收层之上，引起有机无机杂化钙钛矿光吸收层材料分解变性或者老化，从而导致钙钛矿太阳能电池寿命的降低。因此，如何避免紫外光进入电池钙钛矿光吸收层，从而提高电池的寿命，具有重要的意义。

发明内容

为解决背景技术中紫外光对钙钛矿电池寿命影响的问题，本发明提供如下技术方案：

基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池，包括ITO导电玻璃基底、紫外光屏蔽层、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层和反射电极组成。

进一步的,所述的紫外光屏蔽层形成在ITO导电玻璃基底之上；所述的紫外屏光蔽层由N个依次层叠的m-MTDATA/F16CuPc异质结所组成。

进一步的,所述的m-MTDATA/F16CuPc异质结中m-MTDATA的厚度为2-5 nm，F16CuPc的厚度为2-5 nm。

进一步的,所述的紫外光屏蔽层中m-MTDATA/F16CuPc异质结个数N的数值范围为10-30的整数。

进一步的,所述的ITO导电玻璃基底的方块电阻小于10欧姆，可见光透过率大于80%。

进一步的, 所述的空穴传输层形成在紫外光屏蔽层上；所述的空穴传输层包括NiO、spiro-OMeTAD、PEDOT：PSS，P3HT，PCDTBT，PTB7，MoOx，graphene oxide，NiOx，WO3，V2O5；所述的空穴传输层优选厚度30-100 nm。

进一步的, 所述的钙钛矿光吸收层形成在空穴传输层上；所述的钙钛矿光吸收层为甲胺铅碘多晶膜；所述的钙钛矿光吸收层优选厚度200-600 nm。

进一步的, 所述的电子传输层形成在钙钛矿光吸收层上；所述的电子传输层优选为PC60BM，PC70BM，ICBA，C60以及其它富勒烯衍生物；所述的电子传输层优选厚度20-100nm。

进一步的, 所述的反射电极形成在电子传输层上；所述的反射电极优选为Ag或者Al，优选厚度为100-1000 nm。

作为本发明的另一个方面，提供了一种基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池的制造方法，其特征在于，器件的制造按以下步骤依次进行：

(1) ITO导电玻璃基底清洗；

(2) ITO导电玻璃基底上制备紫外光屏蔽层；

(3) 紫外光屏蔽层上制备空穴传输层;

(4) 空穴传输层上制备钙钛矿光吸收层;

(5) 钙钛矿光吸收层上制备电子传输层;

(6) 电子传输层上制备反射电极。

进一步的，制备紫外光屏蔽层的制备采用真空热沉积的方法进行，沉积速率控制为0.05 nm/s，沉积厚度和沉积速率使用石英晶振片进行监控。

本发明的工作原理如下：太阳光从玻璃面照射进光伏电池，经过ITO导电玻璃基底，大部分太阳光中的深紫外、中紫外和部分的近紫外光被ITO导电玻璃基底所吸收，部分近紫外光、可见光和近红外光进入电池内部。近紫外光到达紫外光屏蔽层，被F16CuPc和m-MTDATA完全吸收，无法到达钙钛矿吸光层的内部，从而避免了紫外光对钙钛矿吸光层的伤害，提高了电池的寿命。虽然，F16CuPc在吸收光范围覆盖到了可见光区域，但是由于F16CuPc的光吸收系数小，绝大部分可见光仍能够到达电池的钙钛矿吸光层，形成光电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)多层交替结构的m-MTDATA/F16CuPc紫外光屏蔽层导电性能优异，其引入不会明显增加钙钛矿太阳能电池的串联电阻，有利于空穴的收集，提高电池的能量转换效率。(2)紫外光屏蔽层能够有效吸收紫外光，防止紫外光进入钙钛矿吸光层，提高钙钛矿太阳能电池的工作寿命。(3)本发明的紫外光屏蔽层制备方法简单，与钙钛矿太阳能电池的制备工艺兼容。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中紫外光屏蔽层结构示意图；

图3为本发明中紫外光屏蔽层的能级结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：

基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池，包括ITO导电玻璃基底、紫外光屏蔽层、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层和反射电极组成。

进一步的,所述的紫外光屏蔽层形成在ITO导电玻璃基底之上；所述的紫外光屏蔽层由N个依次层叠的m-MTDATA/F16CuPc异质结所组成。

进一步的,所述的m-MTDATA/F16CuPc异质结中F16CuPc的厚度为2-5 nm，m-MTDATA的厚度为2-5 nm。

进一步的,所述的紫外光屏蔽层中m-MTDATA/F16CuPc异质结个数N的数值范围为10-30。

进一步的,所述的ITO导电玻璃基底的方块电阻小于10欧姆，可见光透过率大于80%。

进一步的, 所述的空穴传输层形成在紫外光屏蔽层上；所述的空穴传输层包括CuI、NiO、spiro-OMeTAD、PEDOT：PSS，P3HT，PCDTBT，PTB7，MoOx，graphene oxide，NiOx，WO3，V2O5；所述的空穴传输层优选厚度30-100 nm。

进一步的, 所述的钙钛矿光吸收层形成在空穴传输层上；所述的钙钛矿光吸收层为甲胺铅碘多晶膜；所述的钙钛矿光吸收层优选厚度200-600 nm。

进一步的, 所述的电子传输层形成在钙钛矿光吸收层上；所述的电子传输层优选为PC60BM，PC70BM，ICBA，C60以及其它富勒烯衍生物；所述的电子传输层优选厚度20-200nm。

进一步的, 所述的反射电极形成在电子传输层上；所述的反射电极优选为Ag，优选厚度为100-1000 nm。

实施例一

基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池，包括ITO导电玻璃基底、紫外光屏蔽层、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层和反射电极组成。电池制备按以下下面的步骤进行。

(1) ITO导电玻璃基底清洗：

提供一ITO玻璃基底(可市场购买)，刻蚀成所需图案并切割，用丙酮、异丙醇、去离子水各超声清洗20分钟，氮气吹干后紫外照射20分钟后待用。

(2) ITO导电玻璃基底上制备紫外光屏蔽层：

将上述ITO导电玻璃基底装如真空镀膜机中，抽真空至真空度小于5×10^-4Pa，开始制备紫外光屏蔽层，设置m-MTDATA/F16CuPc异质结个数N=30,先沉积2 nm的F16CuPc，再沉积2 nm的m-MTDATA，作为一个单元，继续沉积2 nm的F16CuPc，再沉积2 nm的m-MTDATA,作为第二个单元……如此循环共沉积30次，获得30个m-MTDATA 2 nm /F16CuPc 2 nm异质结构成的紫外光屏蔽层。F16CuPc和m-MTDATA的沉积速率控制为0.05 nm/s，沉积厚度和沉积速率使用石英晶振片进行监控。获得紫外光屏蔽层总厚度为120 nm。

(3) 紫外光屏蔽层上制备空穴传输层：

热喷涂的方法沉积50 nm厚NiO致密层作为空穴传输层。

(4) 空穴传输层上制备钙钛矿光吸收层：

采用两步涂布，先涂布一层PbI2，溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)中的至少一种，待其自然干燥或低温烘干后，涂布CH3NH3I的异丙醇溶液，热风吹干或低温烘干，即得钙钛矿光吸收层。

(5) 钙钛矿光吸收层上制备电子传输层：

旋转涂覆质量分数5%的PCBM氯仿溶液，转速3000rpms，时间40秒，70℃干燥5分钟，完成电子传输层制备。

(6) 电子传输层上制备反射电极：

溅射100 nm的Ag作为反射电极。

经过测试，使用100 mW/cm²的模拟太阳光作为电池的工作光源，本实施例的基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池效率下降到初始效率的一半的时间与没有紫外光屏蔽层的电池对比器件的效率下降到初始效率一半的时间相比增加了3倍。

实施例二

基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池，包括ITO导电玻璃基底、紫外光屏蔽层、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层和反射电极组成。电池制备按以下下面的步骤进行。

(1) ITO导电玻璃基底清洗：

同实施例一。

(2) ITO导电玻璃基底上制备紫外光屏蔽层：

将上述ITO导电玻璃基底装如真空镀膜机中，抽真空至真空度小于5×10^-4Pa，开始制备紫外光屏蔽层，设置m-MTDATA/F16CuPc异质结个数N=10,先沉积5 nm的F16CuPc，再沉积5 nm的m-MTDATA，作为一个单元，继续沉积5 nm的F16CuPc，再沉积5 nm的m-MTDATA,作为第二个单元……如此循环共沉积10次，获得10个m-MTDATA 5 nm/F16CuPc 5 nm异质结构成的紫外光屏蔽层。F16CuPc和m-MTDATA的沉积速率控制为0.05 nm/s，沉积厚度和沉积速率使用石英晶振片进行监控。获得紫外光屏蔽层总厚度为100 nm。

(3) 紫外光屏蔽层上制备空穴传输层：

真空热蒸镀的方法生长30 nm CuI作为空穴传输层。

(4) 空穴传输层上制备钙钛矿光吸收层：

采用双源共蒸法沉积钙钛矿吸光层，PbI2与CH3NH3I蒸镀的摩尔比为1:4, 钙钛矿光吸收层厚度200 nm。

(5) 钙钛矿光吸收层上制备电子传输层：

真空镀膜机中蒸镀20 nm C60作为电子传输层。

(6) 电子传输层上制备反射电极：

热蒸镀200 nm的Al作为反射电极。

经过测试，使用100 mW/cm2的模拟太阳光作为电池的工作光源，本实施例的基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池效率下降到初始效率的一半的时间与没有紫外光屏蔽层的电池对比器件的效率下降到初始效率一半的时间相比增加了2倍。

最后，给出本发明能够成功基于的几个基本原理和事实：1、m-MTDATA/ F16CuPc对紫外光具有强烈的吸收作用，透过ITO导电玻璃基底进入器件内部的紫外光几乎可以被紫外光屏蔽层完全吸收，而不会到达钙钛矿吸光层处，避免了钙钛矿层受到紫外光的照射，提高了电池的工作寿命。2、多个M-MTDATA/F16CuPc异质结(例如实施例一中的30个m-MTDATA2 nm /F16CuPc 2 nm异质结)组层的紫外光屏蔽层与总厚度相同的单异质结 (60 nm m-MTDATA /60 nm F16CuPc)相比，导电性大大提高。紫外光屏蔽层的引入并没有明显提高电池的串联电阻，电池的空穴收集可以有效的进行，从而避免了电池的能量转换效率的下降。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池，其特征在于，包括ITO导电玻璃基底、紫外光屏蔽层、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层和反射电极组成；所述的紫外光屏蔽层形成在ITO导电玻璃基底之上；所述的紫外屏光蔽层由N个依次层叠的m-MTDATA/F16CuPc异质结所组成；所述的m-MTDATA/F16CuPc异质结中m-MTDATA的厚度为2-5 nm，F16CuPc的厚度为2-5 nm；所述的紫外屏光蔽层中m-MTDATA/F16CuPc异质结个数N的数值范围为10-30的整数，所述的空穴传输层形成在紫外光屏蔽层上，所述的空穴传输层为热蒸镀的30 nm CuI。

2.根据权利要求1所述的基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池，其特征在于,所述的ITO导电玻璃基底的方块电阻小于10欧姆，可见光透过率大于80%。

3.根据权利要求1所述的基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池，其特征在于, 所述的钙钛矿光吸收层形成在空穴传输层上；所述的钙钛矿光吸收层为甲胺铅碘多晶膜；所述的钙钛矿光吸收层优选厚度200-600 nm。

4.根据权利要求1所述的基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池，其特征在于, 所述的电子传输层形成在钙钛矿光吸收层上；所述的电子传输层优选为PC60BM，PC70BM，ICBA，C60以及其它富勒烯衍生物；所述的电子传输层优选厚度20-200 nm。

5.根据权利要求1所述的基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池，其特征在于, 所述的反射电极形成在电子传输层上；所述的反射电极优选为Ag或者Al，优选厚度为100-1000nm。

6.根据权利要求1所述的基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池的制造方法，其特征在于，按以下步骤依次进行：

(1) ITO导电玻璃基底清洗；

(2) ITO导电玻璃基底上制备紫外光屏蔽层；

(3) 紫外光屏蔽层上制备空穴传输层;

(4) 空穴传输层上制备钙钛矿光吸收层;

(5) 钙钛矿光吸收层上制备电子传输层;

(6) 电子传输层上制备反射电极。

7.根据权利要求6所述的基于紫外光屏蔽层的钙钛矿光伏电池的制造方法，其特征在于，制备紫外光屏蔽层的制备采用真空热沉积的方法进行，沉积速率控制为0.05 nm/s，沉积厚度和沉积速率使用石英晶振片进行监控。