CN109273609A - 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于电池领域。该钙钛矿太阳能电池包括电池本体以及封装涂层。电池本体依次包括FTO透明导电玻璃基底、ZnO电子传输层、Al2O3修饰层、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层、空穴传输层以及导电碳电极。封装涂层用于封装电池本体的表面并留出导电碳电极的引线区域。该钙钛矿太阳能电池不但具有良好的光电转换效率，而且在室外条件下保存几个月后电池性能仍保持良好；封装涂层能够提高电池对水氧的隔绝能力，可有效保护太阳能电池，从而显著提高太阳能电池寿命。其制备方法包括：按上述结构进行制作。过程简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，且特别涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
能源枯竭和环境污染是当今世界亟需解决的问题，人们迫切希望开发和利用新能源，在各种新能源中，太阳能作为一种清洁、环保、廉价的可再生能源无疑是最理想的能源之一。对太阳能的利用可以有很多的途径，其中光电转换受到了人们的广泛关注。目前的太阳能电池从硅电池发展到有机薄膜电池，染料敏化太阳能电池等，国内外都投入了很大的精力进行研究，但是仍然还有很多问题需要解决。
一种新型太阳能电池-钙钛矿太阳能电池，自2009年首次报道以来，就吸引了众多科研工作者的关注，在近十年的时间里其光电转换效率从3.8％提升至23.2％，其相较硅基太阳能电池而言成本更低，制备工艺更简单。主要的原因是钙钛矿材料具有带隙可调、较高的载流子迁移率、较高的吸收系数等优点。虽然现阶段的光电转换效率已经很高了，但是钙钛矿材料本身却存在着很大的问题，例如钙钛矿容易分解，因此，很大程度上制约着钙钛矿太阳能电池的发展。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种钙钛矿太阳能电池，该钙钛矿太阳能电池不但具有良好的光电转换效率，而且在室外条件下保存几个月后电池性能仍保持良好，封装涂层能够提高电池对水氧的隔绝能力，可有效保护太阳能电池，从而显著提高太阳能电池寿命。
本发明的目的之二在于提供一种上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，该制备方法过程简单，成本低廉。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明提出一种钙钛矿太阳能电池，钙钛矿太阳能电池包括电池本体以及封装涂层。
电池本体包括FTO透明导电玻璃基底、ZnO电子传输层、Al2O3修饰层、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层、空穴传输层以及导电碳电极。
ZnO电子传输层设置于FTO透明导电玻璃基底的一侧表面，Al2O3修饰层设置于ZnO电子传输层的远离FTO透明导电玻璃基底的一侧的表面，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层设置于Al2O3修饰层的远离ZnO电子传输层的一侧的表面，空穴传输层设置于CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的远离Al2O3修饰层的一侧的表面，导电碳电极设置于空穴传输层的远离钙钛矿吸光层的一侧的表面。
封装涂层用于封装电池本体的表面并留出导电碳电极的引线区域。
本发明还提出一种上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
组装电池本体：于FTO透明导电玻璃基底的一侧表面设置ZnO电子传输层，于ZnO电子传输层的远离FTO透明导电玻璃基底的一侧的表面设置Al2O3修饰层，于Al2O3修饰层的远离ZnO电子传输层的一侧的表面设置CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层，于CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的远离Al2O3修饰层的一侧的表面设置空穴传输层，于空穴传输层的远离钙钛矿吸光层的一侧的表面设置导电碳电极。
于电池本体的表面沉积封装涂层并留出导电碳电极的引线区域。
本发明较佳实施例提供的钙钛矿太阳能电池及其制备方法的有益效果包括：
本发明实施例提供的钙钛矿太阳能电池以氧化锌作为电子传输层，以碳电极替代了昂贵的金属电极，大大降低了电池的制备成本。Al2O3修饰层沉积在ZnO表面，避免了ZnO与钙钛矿的直接接触，减少相互之间的反应。而封装涂层聚对二甲苯能形成极薄的薄膜，且其能够提供无针孔的屏障，可以隔绝水氧，甚至抵御长期接触的环境，从而使得钙钛矿电池不但具有良好的光电转换效率，而且稳定性得到明显的提升，极大的延长电池的使用寿命，使电池更适用于自然环境。其制备方法过程简单，成本低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为实施例1中钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为实施例2中钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图3为实施例1中FTO/ZnO/CH3NH3PbI3的水接触角测试；
图4为实施例1中FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/P3HT的水接触角测试；
图5为实施例2中FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3/P3HT/Parylene的水接触角测试；
图6为实施例1及实施例2所得的钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线图；
图7为实施例1及实施例2所得的钙钛矿太阳能电池在空气中的稳定性图。
图标：100-钙钛矿太阳能电池；10-电池本体；11-FTO透明导电玻璃基底；111-玻璃；112-FTO层；12-ZnO电子传输层；13-Al2O3修饰层；14-CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层；15-空穴传输层；16-导电碳电极；20-封装涂层。
具体实施方式
下面对本发明实施例的钙钛矿太阳能电池及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供的钙钛矿太阳能电池包括电池本体以及封装涂层。
其中，电池本体包括FTO透明导电玻璃基底、ZnO电子传输层、Al2O3修饰层、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层、空穴传输层以及导电碳电极。
ZnO电子传输层设置于FTO透明导电玻璃基底的一侧表面，Al2O3修饰层设置于ZnO电子传输层的远离FTO透明导电玻璃基底的一侧的表面，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层设置于Al2O3修饰层的远离ZnO电子传输层的一侧的表面，空穴传输层设置于CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的远离Al2O3修饰层的一侧的表面，导电碳电极设置于空穴传输层的远离钙钛矿吸光层的一侧的表面。
封装涂层用于封装电池本体的表面并留出导电碳电极的引线区域。值得说明的是，本申请中，封装涂层可以将电池本体的除导电碳电极的引线区域以外的所有表面进行封装，也可以将除导电碳电极的引线区域及FTO透明导电玻璃基底以外的表面区域进行封装。
本申请中，ZnO电子传输层的厚度可以但不限于为30-80nm，例如30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm或80nm等。
本申请中，Al2O3修饰层的厚度可以但不限于为0.05-0.2nm，例如0.05nm、0.10nm、0.15nm或0.2nm等。
本申请中，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的厚度可以但不限于为400-700nm，例如400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、或700nm等。
本申请中，空穴传输层的厚度可以但不限于为20-60nm，例如20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm或60nm等。
本申请中，导电碳电极的厚度可以但不限于为5-30μm，例如5μm、10μm、15μm、20μm、25μm或30μm等。
本申请中，封装涂层的厚度可以但不限于为5-10nm，例如5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm等。
FTO导电玻璃为掺杂氟的氧化锡SnO2透明导电玻璃(SnO2：F)，简称为FTO。在本申请中，FTO透明导电玻璃基底可直接购买而得。
ZnO电子传输层主要用于将CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层产生的电子传输到FTO透明导电玻璃基底上。
Al2O3修饰层主要用于钝化ZnO电子传输层，避免ZnO与钙钛矿层的物理接触，减少ZnO对钙钛矿材料的分解。
钙钛矿具有光吸收系数高、电荷扩散距离长以及载流子迁移率高等优异性能。CH3NH3PbI3钙钛矿可吸收近红外到紫外范围的太阳光，在可见光区域的吸收系数超过3×104cm-1，其还具有可以调节的带隙，能够吸收入射光产生大量的光生载流子传输至电极。
在一些实施方式中，上述空穴传输层可由聚噻吩的衍生物形成，聚噻吩的衍生物例如可包括P3BT、P3HT、P3OT和P3DT中的至少一种。空穴传输层主要用于在电场作用下实现由CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层提供的空穴定向有序的可控迁移。例如电子和空穴分别通过ZnO电子传输层和空穴传输层传输至FTO透明导电玻璃基底和导电碳电极，形成电流。
在一些实施方式中，封装涂层由聚对二甲苯系列的聚合物形成，本申请所涉及的对二甲苯系列的聚合物包括N型、C型和D型三种类型，其中N型通常称为聚对二甲苯，C型通常称为聚一氯对二甲苯，D型通常称为聚二氯对二甲苯。优选地，封装涂层由N型的聚对二甲苯形成。通过设置封装涂层，可提高电池对水氧的隔绝能力，有效保护太阳能电池，增加钙钛矿太阳能电池的稳定性，从而显著延长太阳能电池的使用寿命。
本申请还提供了上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，例如可以包括以下步骤：
组装电池本体：于FTO透明导电玻璃基底的一侧表面设置ZnO电子传输层，于ZnO电子传输层的远离FTO透明导电玻璃基底的一侧的表面设置Al2O3修饰层，于Al2O3修饰层的远离ZnO电子传输层的一侧的表面设置CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层，于CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的远离Al2O3修饰层的一侧的表面设置空穴传输层，于空穴传输层的远离钙钛矿吸光层的一侧的表面设置导电碳电极。
然后于电池本体的表面沉积封装涂层留出导电碳电极的引线区域。
整个制备过程中的操作温度不超过200℃，可以减少能耗，降低成本。
在设置ZnO电子传输层前，对待用的FTO玻璃进行预处理。例如可将FTO玻璃依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水超声清洗20-30min，然后用氮***吹干玻璃备用。在使用之前再用紫外臭氧清洗仪处理12-18min以增加FTO玻璃表面的亲水性。
ZnO电子传输层可由包括以下步骤形成：
取50-100μLZnO的前驱液，以3000-4000rpm/min的速度旋涂沉积于上述所的FTO玻璃衬底表面，旋涂时间例如可以为28-32s。旋涂后再于140-160℃的条件下(例如可以在加热板上进行)退回25-30min。以上述沉积和退火过程为1循环，重复上述循环1-2次以获得最优厚度30-50nm的ZnO薄膜。
可参考地，ZnO的前驱液可经以下步骤得到：分别称取1g的Zn(CH3COO)2·2H2O和0.28g的乙醇胺(EA)，然后加入10mL的乙二醇甲醚，在常温条件下磁力搅拌12h。
Al2O3修饰层可由包括以下步骤形成：
采用原子层沉积技术将Al2O3溶液沉积于ZnO电子传输层的远离FTO透明导电玻璃基底的一侧的表面。沉积次数可以为1-10次，相应地，当沉积次数为1次时，每次沉积的厚度为0.05-0.2nm；当沉积次数为10次时，每次沉积的厚度为0.005-0.02nm；此外，当沉积次数为2-8次时，每次沉积的厚度即按照沉积总厚度范围为0.05-0.2nm进行调节。值得说明的是，每次沉积的厚度可以相同也可以不同。
原子层沉积技术是将Al2O3以单原子膜形式一层的镀在ZnO电子传输层的表面的方法。可参考地，原子层沉积技术的具体工艺参数例如可包括：将有旋涂有ZnO电子传输层的FTO透明导电玻璃基底用紫外臭氧清洗仪处理10-20min，然后放入原子层沉积设备的反应腔内。腔内温度升至100-200℃，用50-100sccm高纯氩气吹扫10-20min，将纯度大于99％的三甲基铝作为金属有机前驱体送入反应腔中，设置脉冲时间为0.1-0.2s，暴露时间为5-10s,以氩气吹扫20-30s。将去离子水以脉冲形式送入反应腔体，脉冲时间为0.1-0.3s，暴露时间为5-10s，再用氩气吹扫，吹扫时间为20-30s，即在ZnO电子传输层表面完成一次Al2O3修饰层沉积。
CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层可由包括以下步骤形成：
将PbI2溶液以2500-4000rpm/min的速度旋涂沉积于Al2O3修饰层的远离ZnO电子传输层的一侧的表面，沉积时间为25-35s；然后于60-100℃的条件下退火5-10min。然后于CH3NH3I的溶液中浸泡5-10min，于60-90℃的条件下退火5-10min。
上述PbI2溶液的可以为50-100μL，浓度可以为1.0mol/L-1.5mol/L，PbI2溶液的溶剂可以由体积比为9:1或者85:15的DMF和DMSO组成。上述CH3NH3I的溶液为CH3NH3I的异丙醇溶液，退火前可用该CH3NH3I的异丙醇溶液清洗浸泡后的薄膜。
空穴传输层可由包括以下步骤形成：
将聚噻吩的衍生物的溶液以速度为2000-3000rpm/min的速度旋涂沉积于CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的远离Al2O3修饰层的一侧的表面，沉积时间为25-35s；然后于60-70℃的条件下退火5-10min。聚噻吩的衍生物包括P3BT、P3HT、P3OT和P3DT中的至少一种。
上述聚噻吩的衍生物的溶液例如可以将P3HT溶解于甲苯中以形成。聚噻吩的衍生物的溶液的旋涂用量可以为50-80μL。
导电碳电极可由包括以下步骤形成：
将商用碳浆料通过丝网印刷的方法涂在空穴传输层的远离钙钛矿吸光层的一侧的表面，碳电极的厚度为5-30μm，优选为5-10μm，之后置于加热板上加热，加热温度可以为90-100℃，加热时间可以为15-30min。
封装涂层可由包括以下步骤形成：将电池本体用磨具固定，遮盖住导电碳电极部分，放入室温沉积室中，将气体形式的单体中间体双自由基对二甲苯通入沉积室，与电池本体聚合，形成封装涂层。
具体的，第一步是将固态二聚物放入汽化腔室内，设置温度为150-200℃，腔体压强为1.0-2.0托，然后开始汽化；第二步是将汽化的二聚物送入裂解腔室内，在650-750℃、0.5-1.0托的条件下定量热解二聚物蒸汽的两个亚甲基-亚甲基键，得到稳定的单体双自由基对二甲苯。第三步是将热解之后的单体蒸气送入室温沉积室，沉积室中的压强为0.1-0.2托，气体单体均匀作用于钙钛矿太阳能电池上，然后自然聚合，形成聚对二甲苯封装涂层。
承上，本申请所提供的钙钛矿太阳能电池以氧化锌作为电子传输层，以碳电极替代了昂贵的金属电极，大大降低了电池的制备成本。Al2O3修饰层沉积在ZnO表面，避免了ZnO与钙钛矿的直接接触，减少相互之间的反应。而封装涂层聚对二甲苯能形成极薄的薄膜，且其能够提供无针孔的屏障，可以隔绝水、氧，甚至抵御长期接触的环境，从而使得钙钛矿电池的稳定性得到明显的提升，极大的延长电池的使用寿命，其是电池更适用于自然环境。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1(对比例)
请参照图1，本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池100，其仅包括电池本体10。
电池本体10由FTO透明导电玻璃基底11(包括玻璃111与涂覆于玻璃111表面的FTO层112)、ZnO电子传输层12、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层14、空穴传输层15以及导电碳电极16构成。
ZnO电子传输层12(厚度为40nm)设置于FTO透明导电玻璃基底11的一侧表面，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层14(厚度为600nm)设置于ZnO电子传输层12的远离FTO透明导电玻璃基底11的一侧的表面，空穴传输层15(厚度为40nm)设置于CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层14的远离ZnO电子传输层12的一侧的表面，导电碳电极16(厚度为20μm)设置于空穴传输层15的远离钙钛矿吸光层的一侧的表面。
该钙钛矿太阳能电池100的制备方法包括：
(1)FTO的预处理：将FTO玻璃111依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗30min，然后用氮***吹干玻璃111备用。在使用之前用紫外臭氧清洗仪照射处理15min分钟以增加FTO表面的亲水性。
(2)ZnO的制备方案为：分别称取1g的Zn(CH3COO)2·2H2O和0.28g的乙醇胺(EA)于玻璃111瓶中，然后加入10mL的乙二醇甲醚，在常温条件下磁力搅拌12h。
(3)ZnO电子传输层12的组装：取100μL步骤(2)中所得的ZnO前驱液，将其旋涂沉积在步骤(1)中所得的干净的FTO玻璃111衬底上，旋涂的速度为3500rpm/min，旋涂的时间为30s；随后在加热板上150℃退火30min；重复上述过程2次，获得厚度为40nm的ZnO薄膜。
(4)钙钛矿层的组装：取100μL浓度为1.0mol/L的PbI2溶液(溶剂体积比为DMF：DMSO＝9：1)沉积在步骤(3)中所得的ZnO薄膜上，旋涂的速度为3000rpm/min，旋涂的时间为30s；之后在80℃的条件下退火8min，得到FTO/ZnO/PbI2薄膜。将FTO/ZnO/PbI2薄膜浸泡在10mg/mL的CH3NH3I的异丙醇溶液中，浸泡时间为8min，浸泡完成之后用异丙醇溶液洗一下，随后在80℃的条件下退火8min，所得样品为FTO/ZnO/CH3NH3PbI3。
(5)空穴传输层15的组装：称取一定的P3HT溶解在甲苯中，配置一定浓度的溶液。然后取60μL的溶液旋涂在步骤(4)的钙钛矿薄膜上，旋涂的速度为2500rpm/min，旋涂的时间为30s；之后在65℃的条件下退火8min，得到FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/P3HT薄膜。
(6)碳对电极的组装：将商用碳浆料通过丝网印刷的方法涂在所制备的样品FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/P3HT上，碳电极的厚度为20μm，之后置于加热板上加热，加热温度为80℃，加热时间为20min。
对样品FTO/ZnO/CH3NH3PbI3和FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/P3HT进行水接触角测试，其结果如图3和图4所示。
对本实施例制备所得的钙钛矿太阳能电池100进行J-V测试，其结果如图6所示，器件的光电转换效率为12.29％，电流密度为19.74mA/cm2，开路电压为1.02V，填充因子为61.04％。
实施例2
请参照图2，本实施例提供一种钙钛矿太阳能电池100，其包括电池本体10以及封装涂层20。
电池本体10包括FTO透明导电玻璃基底11、ZnO电子传输层12、Al2O3修饰层13、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层14、空穴传输层15以及导电碳电极16。
ZnO电子传输层12(厚度为40nm)设置于FTO透明导电玻璃基底11的一侧表面，Al2O3修饰层13(厚度为0.1nm)设置于ZnO电子传输层12的远离FTO透明导电玻璃基底11的一侧的表面，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层14(厚度为600nm)设置于Al2O3修饰层13的远离ZnO电子传输层12的一侧的表面，空穴传输层15(厚度为40nm)设置于CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层14的远离Al2O3修饰层13的一侧的表面，导电碳电极16(厚度为20μm)设置于空穴传输层15的远离钙钛矿吸光层的一侧的表面。
封装涂层20(厚度为5nm)用于封装电池本体10的表面并留出导电碳电极16的引线区域。
该钙钛矿太阳能电池100的制备方法包括：
(1)FTO的预处理：将FTO玻璃111依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗30min，然后用氮***吹干玻璃111备用。在使用之前用紫外臭氧清洗仪照射处理15min分钟以增加FTO表面的亲水性。
(2)ZnO的制备方案为：分别称取1g的Zn(CH3COO)2·2H2O和0.28g的乙醇胺(EA)于玻璃111瓶中，然后加入10mL的乙二醇甲醚，在常温条件下磁力搅拌12h。
(3)ZnO电子传输层12的组装：取100μL步骤(2)中所得的ZnO前驱液，将其旋涂沉积在步骤(1)中所得的干净的FTO玻璃111衬底上，旋涂的速度为3500rpm/min，旋涂的时间为30s；随后在加热板上150℃退火30min；重复上述过程2次，获得厚度为40nm的ZnO薄膜。
(4)Al2O3修饰层13的组装：通过原子层沉积技术在ZnO电子传输层12通过多个沉积循环次数来完成，每个沉积循环沉积的厚度为0.02nm，循环次数为5次。原子层沉积包括：将有旋涂有ZnO电子传输层12的FTO透明导电玻璃基底11用紫外臭氧清洗仪处理15min，然后放入原子层沉积设备的反应腔内。腔内温度升至150℃，用80sccm高纯氩气吹扫15min，将纯度大于99％的三甲基铝作为金属有机前驱体送入反应腔中，设置脉冲时间为0.15s，暴露时间为8s,以氩气吹扫25s。将去离子水以脉冲形式送入反应腔体，脉冲时间为0.2s，暴露时间为8s，再用氩气吹扫，吹扫时间为25s，即在ZnO电子传输层表面12完成一次Al2O3修饰层沉积13。
(5)钙钛矿层的组装：取100μL浓度为1.0mol/L的PbI2溶液(溶剂体积比为DMF：DMSO＝9：1)沉积在步骤(4)中所得的ZnO/Al2O3薄膜上，旋涂的速度为3000rpm/min，旋涂的时间为30s；之后在80℃的条件下退火8min，得到FTO/ZnO/Al2O3/PbI2薄膜。将FTO/ZnO/Al2O3/PbI2薄膜浸泡在10mg/mL的CH3NH3I的异丙醇溶液中，浸泡时间为8min，浸泡完成之后用异丙醇溶液洗一下，随后在80℃的条件下退火8min，所得样品为FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3。
(6)空穴传输层15的组装：称取一定的P3HT溶解在甲苯中，配置一定浓度的溶液。然后取60μL的溶液旋涂在步骤(5)的钙钛矿薄膜上，旋涂的速度为2500rpm/min，旋涂的时间为30s；之后在65℃的条件下退火8min，得到FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3/P3HT薄膜。
(7)碳对电极的组装：将商用碳浆料通过丝网印刷的方法涂在所制备的样品FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3/P3HT上，碳电极的厚度为20μm，之后置于加热板上加热，加热温度为80℃，加热时间为20min。
(8)封装涂层20的组装：采用真空气相沉积工艺涂敷聚对二甲苯。将电池本体10用磨具固定，遮盖住导电碳电极16部分，放入室温沉积室中，第一步将固态二聚物放入汽化腔室内，设置温度为180℃，腔体压强为1.5托，然后开始汽化，第二步是将汽化的二聚物送入裂解腔室内，在700℃、0.8托的条件下定量热解二聚物蒸汽的两个亚甲基-亚甲基键，得到稳定的单体双自由基对二甲苯。第三步是将热解之后的单体蒸气送入室温沉积室，沉积室中的压强为0.15托，气体单体均匀作用于钙钛矿太阳能电池100上，然后自然聚合，形成聚对二甲苯封装涂层20。
对本实施例2所得的FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3/P3HT/Parylene进行水接触角测试，其结果如图5所示。
对本实施例2制备所得的钙钛矿太阳能电池100进行J-V测试，其结果如表6所示，器件的光电转换效率为11.81％，电流密度为18.99mA/cm2，开路电压为1.00V，填充因子为62.19％。
对实施例1和实施例2所制备的钙钛矿太阳能电池100进行稳定性测试，测试方法如下：将实施例1和实施例2所制备的钙钛矿太阳能电池100直接放置在温度为35℃，湿度为80％的恒温恒湿的环境中，每隔200小时对电池进行光电转换效率测试，一共测试了0到1200小时的效率。
通过测试对比，由图3至图5可以看出，增加了封装涂层20之后电池的疏水角增大，这证明了聚对二甲苯的疏水性。通过图6的对比可以看出，增加了Al2O3修饰层13和和聚对二甲苯封装涂层20之后，电池的性能基本没有太大的改变，说明增加了修饰层和封装层之后不会影响电池的光电性能。通过对电池的稳定性统计，由图7可以看出，实施例1中的电池效率下降的很快，到最后效率仅为最初效率的40％左右，但是实施例2中的电池在1200小时之后仍然能够保持初始效率的90％以上。说明本发明实施例2所提供的钙钛矿太阳能电池100具有更好的稳定性，其在高湿度环境中仍然能高效工作。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于：
ZnO电子传输层的厚度为30nm，Al2O3修饰层的厚度为0.05nm，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的厚度为400nm，空穴传输层的厚度为20nm，导电碳电极的厚度为5μm，封装涂层的厚度为5nm。
该钙钛矿太阳能电池的制备方法包括：
(1)FTO的预处理：将FTO玻璃依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗20min，然后用氮***吹干玻璃备用。在使用之前用紫外臭氧清洗仪照射处理12min分钟以增加FTO表面的亲水性。
(2)ZnO的制备方案为：分别称取1g的Zn(CH3COO)2·2H2O和0.28g的乙醇胺(EA)于玻璃111瓶中，然后加入10mL的乙二醇甲醚，在常温条件下磁力搅拌12h。
(3)ZnO电子传输层的组装：取100μL步骤(2)中所得的ZnO前驱液，将其旋涂沉积在步骤(1)中所得的干净的FTO玻璃衬底上，旋涂的速度为3000rpm/min，旋涂的时间为32s；随后在加热板上140℃退火28min；重复上述过程1次，获得厚度为30nm的ZnO薄膜。
(4)Al2O3修饰层的组装：通过原子层沉积技术在ZnO表面通过多个沉积循环次数来完成，每个沉积循环沉积的厚度为0.05nm，循环次数为1次。原子层沉积包括：将有旋涂有ZnO电子传输层12的FTO透明导电玻璃基底11用紫外臭氧清洗仪处理10min，然后放入原子层沉积设备的反应腔内。腔内温度升至100℃，用50sccm高纯氩气吹扫20min，将纯度大于99％的三甲基铝作为金属有机前驱体送入反应腔中，设置脉冲时间为0.1s，暴露时间为5s,以氩气吹扫20s。将去离子水以脉冲形式送入反应腔体，脉冲时间为0.1s，暴露时间为5s，再用氩气吹扫，吹扫时间为20s，即在ZnO电子传输层表面12完成一次Al2O3修饰层沉积13。
(5)钙钛矿层的组装：取50μL浓度为1.5mol/L的PbI2溶液(溶剂体积比为DMF：DMSO＝85：15)沉积在步骤(4)中所得的ZnO/Al2O3薄膜上，旋涂的速度为2500rpm/min，旋涂的时间为35s；之后在60℃的条件下退火10min，得到FTO/ZnO/Al2O3/PbI2薄膜。将FTO/ZnO/Al2O3/PbI2薄膜浸泡在10mg/mL的CH3NH3I的异丙醇溶液中，浸泡时间为10min，浸泡完成之后用异丙醇溶液洗一下，随后在60℃的条件下退火10min，所得样品为FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3。
(6)空穴传输层的组装：称取一定的P3HT溶解在甲苯中，配置一定浓度的溶液。然后取60μL的溶液旋涂在步骤(5)的钙钛矿薄膜上，旋涂的速度为2000rpm/min，旋涂的时间为35s；之后在60℃的条件下退火10min，得到FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3/P3HT薄膜。
(7)碳对电极的组装：将商用碳浆料通过丝网印刷的方法涂在所制备的样品FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3/P3HT上，碳电极的厚度为5μm，之后置于加热板上加热，加热温度为90℃，加热时间为30min。
(8)封装涂层的组装：采用真空气相沉积工艺涂敷聚对二甲苯。将电池本体10用磨具固定，遮盖住导电碳电极16部分，放入室温沉积室中，第一步将固态二聚物放入汽化腔室内，设置温度为150℃，腔体压强为1.0托，然后开始汽化，第二步是将汽化的二聚物送入裂解腔室内，在650℃、0.5托的条件下定量热解二聚物蒸汽的两个亚甲基-亚甲基键，得到稳定的单体双自由基对二甲苯。第三步是将热解之后的单体蒸气送入室温沉积室，沉积室中的压强为0.1托，气体单体均匀作用于钙钛矿太阳能电池100上，然后自然聚合，形成聚对二甲苯封装涂层20。
对本实施例3所得的FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3/P3HT/Parylene进行水接触角测试，其结果与图5无明显差异。并且，对本实施例3制备所得的钙钛矿太阳能电池进行J-V测试，该器件的光电转换效率、电流密度、开路电压以及填充因子均与实施例2所得的钙钛矿太阳能电池无明显差异。
实施例4
本实施例与实施例2的区别在于：
ZnO电子传输层的厚度为80nm，Al2O3修饰层的厚度为0.2nm，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的厚度为700nm，空穴传输层的厚度为60nm，导电碳电极的厚度为30μm，封装涂层的厚度为10nm。
该钙钛矿太阳能电池的制备方法包括：
(1)FTO的预处理：将FTO玻璃依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗25min，然后用氮***吹干玻璃备用。在使用之前用紫外臭氧清洗仪照射处理18min分钟以增加FTO表面的亲水性。
(2)ZnO的制备方案为：分别称取1g的Zn(CH3COO)2·2H2O和0.28g的乙醇胺(EA)于玻璃111瓶中，然后加入10mL的乙二醇甲醚，在常温条件下磁力搅拌12h。
(3)ZnO电子传输层的组装：取100μL步骤(2)中所得的ZnO前驱液，将其旋涂沉积在步骤(1)中所得的干净的FTO玻璃衬底上，旋涂的速度为4000rpm/min，旋涂的时间为28s；随后在加热板上160℃退火25min；重复上述过程2次，获得厚度为50nm的ZnO薄膜。
(4)Al2O3修饰层的组装：通过原子层沉积技术在ZnO表面通过多个沉积循环次数来完成，每个沉积循环沉积的厚度为0.02nm，循环次数为10次。原子层沉积包括：将有旋涂有ZnO电子传输层12的FTO透明导电玻璃基底11用紫外臭氧清洗仪处理20min，然后放入原子层沉积设备的反应腔内。腔内温度升至200℃，用100sccm高纯氩气吹扫10min，将纯度大于99％的三甲基铝作为金属有机前驱体送入反应腔中，设置脉冲时间为0.2s，暴露时间为10s,以氩气吹扫30s。将去离子水以脉冲形式送入反应腔体，脉冲时间为0.3s，暴露时间为10s，再用氩气吹扫，吹扫时间为30s，即在ZnO电子传输层表面12完成一次Al2O3修饰层沉积13。
(5)钙钛矿层的组装：取80μL浓度为1.2mol/L的PbI2溶液(溶剂体积比为DMF：DMSO＝85：15)沉积在步骤(4)中所得的ZnO/Al2O3薄膜上，旋涂的速度为4000rpm/min，旋涂的时间为25s；之后在100℃的条件下退火5min，得到FTO/ZnO/Al2O3/PbI2薄膜。将FTO/ZnO/Al2O3/PbI2薄膜浸泡在10mg/mL的CH3NH3I的异丙醇溶液中，浸泡时间为5min，浸泡完成之后用异丙醇溶液洗一下，随后在90℃的条件下退火5min，所得样品为FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3。
(6)空穴传输层的组装：称取一定的P3HT溶解在甲苯中，配置一定浓度的溶液。然后取60μL的溶液旋涂在步骤(5)的钙钛矿薄膜上，旋涂的速度为3000rpm/min，旋涂的时间为25s；之后在70℃的条件下退火5min，得到FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3/P3HT薄膜。
(7)碳对电极的组装：将商用碳浆料通过丝网印刷的方法涂在所制备的样品FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3/P3HT上，碳电极的厚度为30μm，之后置于加热板上加热，加热温度为100℃，加热时间为15min。
(8)封装涂层的组装：采用真空气相沉积工艺涂敷聚对二甲苯。将电池本体10用磨具固定，遮盖住导电碳电极16部分，放入室温沉积室中，第一步将固态二聚物放入汽化腔室内，设置温度为200℃，腔体压强为2.0托，然后开始汽化，第二步是将汽化的二聚物送入裂解腔室内，在750℃、1.0托的条件下定量热解二聚物蒸汽的两个亚甲基-亚甲基键，得到稳定的单体双自由基对二甲苯。第三步是将热解之后的单体蒸气送入室温沉积室，沉积室中的压强为0.2托，气体单体均匀作用于钙钛矿太阳能电池100上，然后自然聚合，形成聚对二甲苯封装涂层20。
对本实施例4所得的FTO/ZnO/Al2O3/CH3NH3PbI3/P3HT/Parylene进行水接触角测试，其结果与图5无明显差异。并且，对本实施例4制备所得的钙钛矿太阳能电池进行J-V测试，该器件的光电转换效率、电流密度、开路电压以及填充因子均与实施例2以及实施例3所得的钙钛矿太阳能电池均无明显差异。
结合实施例2至实施例4可以证明增加了封装涂层确实能够使电池的疏水角增大，增加Al2O3修饰层和和聚对二甲苯封装涂层不会影响电池的光电性能。本申请技术方案所提供的钙钛矿太阳能电池具有较高的稳定性，在高湿度环境中仍然能高效工作。
综上所述，本发明提供的钙钛矿太阳能电池不但具有良好的光电转换效率，而且在室外条件下保存几个月后电池性能仍保持良好，封装涂层能够提高电池对水氧的隔绝能力，可有效保护太阳能电池，从而显著提高太阳能电池寿命。其制备方法过程简单，成本低廉。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
Claims (10)
1.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池包括电池本体以及封装涂层；
所述电池本体包括FTO透明导电玻璃基底、ZnO电子传输层、Al2O3修饰层、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层、空穴传输层以及导电碳电极；
所述ZnO电子传输层设置于所述FTO透明导电玻璃基底的一侧表面，所述Al2O3修饰层设置于所述ZnO电子传输层的远离所述FTO透明导电玻璃基底的一侧的表面，所述CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层设置于所述Al2O3修饰层的远离所述ZnO电子传输层的一侧的表面，所述空穴传输层设置于所述CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的远离所述Al2O3修饰层的一侧的表面，所述导电碳电极设置于所述空穴传输层的远离所述钙钛矿吸光层的一侧的表面；
所述封装涂层用于封装所述电池本体的表面并留出所述导电碳电极的引线区域。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述ZnO电子传输层的厚度为30-80nm，所述Al2O3修饰层的厚度为0.05-0.2nm，所述CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的厚度为400-700nm，所述空穴传输层的厚度为20-60nm，所述导电碳电极的厚度为5-30μm，所述封装涂层的厚度为5-10nm。
3.根据权利要求1或2所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层由聚噻吩的衍生物形成，所述聚噻吩的衍生物包括P3BT、P3HT、P3OT和P3DT中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述封装涂层由聚对二甲苯形成。
5.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，包括以下步骤：
组装电池本体：于所述FTO透明导电玻璃基底的一侧表面设置所述ZnO电子传输层，于所述ZnO电子传输层的远离所述FTO透明导电玻璃基底的一侧的表面设置所述Al2O3修饰层，于所述Al2O3修饰层的远离所述ZnO电子传输层的一侧的表面设置所述CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层，于所述CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的远离所述Al2O3修饰层的一侧的表面设置所述空穴传输层，于所述空穴传输层的远离所述钙钛矿吸光层的一侧的表面设置所述导电碳电极；
于所述电池本体的表面沉积所述封装涂层并留出所述导电碳电极的引线区域。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，整个制备过程中的操作温度不超过200℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述Al2O3修饰层由包括以下步骤形成：
采用原子层沉积技术将Al2O3溶液沉积于所述ZnO电子传输层的远离所述FTO透明导电玻璃基底的一侧的表面；
优选地，沉积次数为1-10次。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层由包括以下步骤形成：
将PbI2溶液以2500-4000rpm/min的速度旋涂沉积于所述Al2O3修饰层的远离所述ZnO电子传输层的一侧的表面，沉积时间为25-35s；然后于60-100℃的条件下退火5-10min；
然后于CH3NH3I的溶液中浸泡5-10min，于60-90℃的条件下退火5-10min。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述空穴传输层由包括以下步骤形成：
将聚噻吩的衍生物的溶液以速度为2000-3000rpm/min的速度旋涂沉积于所述CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的远离所述Al2O3修饰层的一侧的表面，沉积时间为25-35s；然后于60-70℃的条件下退火5-10min；
所述聚噻吩的衍生物包括P3BT、P3HT、P3OT和P3DT中的至少一种。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述封装涂层由包括以下步骤形成：
采用真空气相沉积涂敷聚对二甲苯：将气体形式的单体中间体双自由基对二甲苯通入沉积室，与所述电池本体聚合，形成所述封装涂层。
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