CN109301069A - 太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种太阳电池的制备方法，包括如下步骤：提供一表面设置有导电材料的基板，对所述基板进行清洗；提供一铝掺杂的氧化锌溶液，并将所述铝掺杂的氧化锌溶液涂布于所述基板表面以形成一电子传输层；提供一钙钛矿溶液，并将所述钙钛矿溶液涂布于所述电子传输层远离所述基板的表面以形成一钙钛矿层；提供一空穴传输层溶液，并将所述空穴传输层溶液涂布于所述钙钛矿层远离所述基板表面形成一空穴传输层；以及，在所述空穴传输层以及基板未被覆盖的表面形成两个电极。本发明还提供由一种太阳电池。

Description

太阳电池及其制备方法
技术领域
发明涉及电池领域，尤其涉及一种太阳电池及其制备方法。
背景技术
太阳电池领域的发展分为传统的电池和新概念的太阳电池。传统太阳电池主要为硅太阳电池，因为硅是一种半导体材料，吸收太阳光后会产生一定的光伏效应。传统太阳电池为基于硅晶片的单晶硅和多晶硅以及GaAs为主要材料的电池。但是，这种电池问题主要还是成本过高，所以发展新型材料的太阳电池成为一种趋势。新概念的太阳电池主要以薄膜为主，如染料敏化电池、钙钛矿太阳电池。染料敏化电池染料敏化太阳电池(DSSCs)主要由工作电极、氧化还原电解质和对电极组成。光阳极就是工作电极，是由染料敏化的nc-TiO2多孔膜来构成的；其中二氧化钛的光阳极是整个DSSCs的核心部分，在电池中不仅起到负载染料的作用外，还起到了接收电子和传输电子的作用。但是，染料敏化电池的能量转换效率不算很高。近年来，一种用钙钛矿来作为吸光材料的太阳电池，由于具有自身制备成本低、光电转换效率较高等特点，得到了很大的关注和快速的发展。
发明内容
一种太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
提供一表面设置有导电材料的基板，对所述基板进行清洗；
提供一铝掺杂的氧化锌溶液，并将所述铝掺杂的氧化锌溶液涂布于所述基板表面以形成一电子传输层；
提供一钙钛矿溶液，并将所述钙钛矿溶液涂布于所述电子传输层远离所述基板的表面以形成一钙钛矿层；
提供一空穴传输层溶液，并将所述空穴传输层溶液涂布于所述钙钛矿层远离所述基板表面形成一空穴传输层；以及
在所述空穴传输层以及基板未被覆盖的表面形成两个电极。
于一实施例中，对所述基板进行清洗包括如下步骤：
使用去污粉对所述基板进行初次清洗；
依次将所述基板置于去离子水、乙醇、异丙醇、丙酮中并使用超声波进行第二次清洗；以及
将所述基板置于臭氧环境下进行第三次清洗。
于一实施例中，所提供的铝掺杂的氧化锌溶液包括二水合乙酸锌及二水合乙酸锌。
于一实施例中，采用旋涂的方式将所述铝掺杂的氧化锌溶液涂布于所述基板表面以形成一电子传输层，旋涂的转速小于5500rpm。
于一实施例中，所述电子传输层的氧化锌中铝掺杂的摩尔浓度范围为3％～5％。
于一实施例中，采用旋涂的方式将所述空穴传输层溶液涂布于所述钙钛矿层远离所述基板表面形成一空穴传输层，旋涂时的转速范围为1500～4500rpm。
于一实施例中，旋涂所述钙钛矿溶液之前，对承载有所述电子传输层及所述钙钛矿层的基板进行加热。
于一实施例中，在旋涂所述钙钛矿溶液的过程中向涂布有所述钙钛矿溶液的表面加入氯苯。
于一实施例中，在所述钙钛矿溶液旋涂完毕后，使用氮气对所述钙钛矿溶液进行风干。
一种太阳电池，所述太阳电池包括基板、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层以及金属电极，所述基板一表面设置有导电材料，所述电子传输层设置于所述基板设置有所述导电材料的表面并覆盖所述导电材料的至少部分，所述导电材料的部分表面未被所述电子传输层覆盖，所述钙钛矿层设置于所述电子传输层远离所述基板一侧，所述空穴传输层设置于所述钙钛矿层远离所述电子传输层一侧，所述金属电极包括第一电极及第二电极，所述第一电极设置于所述导电材料未被所述电子传输层覆盖的表面，所述第二电极设置于所述空穴传输层远离所述钙钛矿层一侧。
本发明制备的太阳电池，在兼顾传统钙钛矿太阳电池制备成本低、光电转换效率高的优点的情况下，使太阳电池各层之间的结构更为紧密，拥有更好的光电性能。
附图说明
图1为本发明一实施例的太阳电池的制备流程示意图。
图2为本发明一实施例的太阳电池的制备流程示意图。
图3为本发明一实施例的太阳电池的制备流程示意图。
图4为本发明一实施例的太阳电池的制备流程示意图。
图5为本发明一实施例的太阳电池的制备流程示意图。
图6为本发明的铝掺杂的氧化锌溶液的制备流程示意图。
图7为旋涂转速为6000rpm时电子传输层的扫描电子显微镜图像。
图8为不同摩尔浓度的铝掺杂的电子传输层的方块电阻的示意。
图9为电子传输层的方块电阻关于不同铝掺杂的摩尔浓度的变化示意图。
图10为钙钛矿溶液的制备流程示意图。
图11为旋涂过程中未滴加氯苯(a)与滴加氯苯(b)的钙钛矿层的表面宏观示意图。
图12为使用普通风机风干的钙钛矿层的扫描电子显微镜图像。
图13为未使用氮气风干的钙钛矿层(a)与使用氮气风干的钙钛矿层(b)的扫描电子显微镜图像。
图14为空穴传输层溶液的制备流程示意图。
图15为本发明一实施例的制备方法制备的太阳电池的扫描电子显微镜图像。
图16为本发明一实施例的太阳电池的剖视示意图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
主要元件符号说明
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似应用，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提供一种太阳电池10的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：
步骤S1：提供一表面设置有导电材料111的基板110，对所述基板进行清洗。
如图1所示，为本发明一实施例的太阳电池10的制备流程示意图。于一实施例中，提供一基板110，基板110表面的至少部分设置有导电材料111，导电材料111可以为掺杂氟的氧化锡(SnO2)。
使用去污粉对基板110进行初次清洗，随后将初次清洗完成的基板110置于一超声清洗机中进行第二次清洗。第二次清洗流程可为：将基板110置于去离子水环境中并超声清洗5至30分钟，随后依次将基板110置于乙醇、异丙醇、丙酮中并分别超声清洗5至30分钟，将清洗完成的基板110置于去离子水中保存。为去除第二次清洗后的基板110表面残留的有机物，可对基板110进行第三次清洗，可通过紫外线臭氧清洗机对基板110进行清洗，清洗时间为5至30分钟，臭氧可与基板110表面残留的有机物发生反应并生成挥发性气体以完成对有机物的清除，且臭氧具备表面改性的作用，可增强基板110表面的附着力。
步骤S2：制备铝掺杂的氧化锌溶液。
如图6所示，为本发明的铝掺杂的氧化锌溶液的制备流程示意图。将二水合乙酸锌以及相等的物质的量的二水合乙酸锌混合在甲醇溶液中，在室温下搅拌5至30分钟混合均匀得到透明溶液A。将九水合硝酸铝溶解于甲醇溶液中，室温下搅拌5至30分钟混合均匀得到透明溶液B。将透明溶液A和第二透明溶液B加入聚乙二醇中，在30～90℃下搅拌1至9小时。将搅拌均匀的混合溶液在室温下静置24至72小时就可以得到一第三透明溶液C，该第三透明溶液C为铝掺杂的氧化锌溶液。
铝掺杂的氧化锌溶液在其他步骤中需要进行涂布操作，铝掺杂的氧化锌溶液中的聚乙二醇具备防裂剂的作用，二乙醇胺和聚乙二醇可改变铝掺杂的氧化锌溶液涂布凝固后的薄膜的表面性能，使薄膜表面更加光滑平整。
步骤S3：将所述铝掺杂的氧化锌溶液涂布于所述基板110表面以形成一电子传输层120。
如图2所示，为本发明一实施例的太阳电池10的制备流程示意图。于一实施例中，可通过旋涂的方式将铝掺杂的氧化锌(ZnO)溶液涂布于基板110表面以形成一电子传输层120，旋涂的转速应小于5500rpm，旋涂时间范围为10～30秒，对完成涂布的铝掺杂的氧化锌溶液涂布进行干燥，将基板110放置于温度为50～200℃的干燥台上加热5至30分钟，随后，将基板110置于管式炉中并在100～400℃的温度下预烧5至30分钟以去掉基板110上残留的溶剂，随后在450～750℃的温度下加热5至1200分钟，使之随炉冷却到室温后。
当转速大于5500rpm时，铝掺杂的氧化锌溶液的涂布会变得不均匀，如图7所示，为旋涂转速为6000rpm时电子传输层120的扫描电子显微镜图像，可以明显观察到部分区域没有均匀旋涂铝掺杂的氧化锌溶液，且该区域出现了明显的缺陷。
对电子传输层120的电阻进行测试，如图8所示为含有不同摩尔浓度的铝掺杂的氧化锌的电子传输层120的方块电阻示意，如图9所示为电子传输层120的方块电阻关于不同铝掺杂的摩尔浓度的变化示意图。随着铝掺杂的摩尔浓度的升高，电子传输层120导电性能的变化呈现先增大后减小的趋势。电子传输层120的方块电阻在区间内有一个最低的极值点，其中，当铝掺杂的摩尔浓度为4％时，电子传输层120的方块电阻较小、导电性能较佳，因此，氧化锌中铝掺杂的摩尔浓度范围可为3％～5％。
步骤S4：制备钙钛矿溶液。
将甲胺醇溶液与碘化氢溶液按体积比5:1至2:1的比例混合，将甲胺醇溶液与碘化氢溶液的混合溶液放置于冰水浴中搅拌0.5至5小时，搅拌过程中可向水浴容器中持续添加冰块，随后在30～90℃的温度下将溶液缓慢蒸干并得到析出物。将析出物溶于乙醇溶液，将溶解有析出物的乙醇溶液加入***使溶液中产生沉淀，反复提纯多次并将所得到的甲基碘化铵置于真空加热箱中，在40～80℃的温度下保存至少48小时，并得到呈白色粉末状的甲基碘化铵(CH3NH3I)。甲基碘化铵容易吸水，应将甲基碘化铵放置于干燥环境中保存，且制备过程中应尽量避免水分。
如图10所示为钙钛矿溶液制备流程示意图。将二甲基甲酰胺(Dimethylformamide,DMF)和二甲基亚砜(DMSO)按体积比2:1进行混合得到溶液A，将碘化铅(PbI2)加入溶液A中并在30～90℃的温度下持续搅拌至碘化铅完全溶解并得到溶液B，将前述步骤中制得的甲基碘化铵(CH3NH3I)加入溶液B中并在30～90℃的温度下持续搅拌至少6小时并获得溶液C，溶液C即为钙钛矿溶液。
步骤S5：将所述钙钛矿溶液涂布于所述电子传输层120远离所述基板110的表面以形成一钙钛矿层130。
如图3所示，为本发明一实施例的太阳电池10的制备流程示意图。将步骤S4中所制备的钙钛矿溶液进行过滤后，使用移液枪进行旋涂，旋涂时载台转速范围为1500～4500rpm，旋涂时间为15～45秒，旋涂过程中应使钙钛矿溶液中的溶剂尽快挥发。
于一实施例中，在旋涂前对基板110进行加热，促进在旋涂过程中溶剂的挥发，可将设置有电子传输层120的基板110在30～90℃的温度下预热5～15分钟。
于一实施例中，在钙钛矿旋涂的过程中向涂布有所述钙钛矿溶液的表面加入氯苯，使钙钛矿溶液中的有机溶剂溶解于氯苯，而氯苯具有很强的挥发性，钙钛矿溶液中的有机溶剂随着氯苯的挥发而加速挥发；具体地，可在离旋涂结束还有3～6秒时将氯苯用移液枪滴在基片上。另一方面，如图11所示，旋涂过程中滴加了氯苯的钙钛矿层130的表面(b)相较于旋涂过程中不滴加氯苯的钙钛矿层130的表面(a)更加平滑而且有光泽，没有在旋涂中滴加氯苯的钙钛矿膜则显得比较暗淡粗糙。
于一实施例中，可在钙钛矿溶液旋涂完毕之后，利用气流吹干。如图12所示，使用普通风机吹干刚刚旋涂完毕的钙钛矿层130的扫描电子显微镜图像显示其结晶性较差、平整较差。如图13所示，为旋涂后未使用氮气风干的钙钛矿层130(a)以及使用氮气风干的钙钛矿层130(b)的扫描电子显微镜对比图像，可明显观察到，使用氮气吹干的钙钛矿层130结晶更加明显而且致密。
步骤S6：制备空穴传输层溶液，并将空穴传输层溶液涂布于钙钛矿层130远离基板110表面形成空穴传输层140。
如图14所示，为空穴传输层溶液的制备流程示意图。将spiro-OMeTAD药品完全溶于氯苯中得到溶液A，将双三氟甲烷磺酰亚胺锂[Lithium bis(trifluoromethanesulfonimide),Li-TFSI]溶解于乙腈中，搅拌至完全溶解得到溶液B，将含钴化合物(Co盐)完全溶解于乙腈中得到溶液C。将溶液B、溶液C以及4-叔丁基吡啶(4-tert-butylpyridine)加入进溶液A中，混合均匀后制得溶液D，溶液D即为空穴传输层溶液。其中，双三氟甲烷磺酰亚胺锂中的锂离子可以提升制备好的空穴传输层的导电性，含钴化合物中的钴离子可以促进空穴传输层的氧化。
于一实施例中，称量80mg的spiro-OMeTAD药品完全溶于1mL氯苯中制成溶液A，将520mg双三氟甲烷磺酰亚胺锂[Lithium bis(trifluoromethane sulfonimide),Li-TFSI]溶解于1mL乙腈中，搅拌至完全溶解得到溶液B，将300mg含钴化合物(Co盐)完全溶于1mL乙腈中得到溶液C。将17.5μL溶液B、29μL溶液C以及28.8μL4-叔丁基吡啶(4-tert-butylpyridine)加入进溶液A中，混合均匀后制得溶液D，溶液D即为空穴传输层溶液。
于一实施例中，如图4所示，为本发明一实施例的太阳电池10的制备流程示意图。使用旋涂的方法将空穴传输层溶液涂布于钙钛矿层130远离基板110表面形成空穴传输层140，在1500～4500rpm的转速下旋涂15～45秒，随后烘干、进行氧化处理并放置16小时以上得到空穴传输层140。
步骤S7：在空穴传输层140以及基板110未被覆盖的表面形成两个电极150。
如图5所示，为本发明一实施例的太阳电池10的制备流程示意图。于一实施例中，通过热蒸镀的方式制备电极150，电极150包括第一电极151及第二电极152，将承载有电子传输层120、钙钛矿层130以及空穴传输层140的基板110放置于真空热蒸镀机台中，将导电金属材料加热至蒸发，经过真空室最终沉积到空穴传输层140以及导电材料111未被覆盖的表面，在导电材料111未被电子传输层120覆盖的表面形成第一电极151，在空穴传输层140远离钙钛矿层130的表面形成第二电极152，可通过设置掩膜以确定电极150的位置。
如图15所示，为本发明一实施例的制备方法制备的太阳电池10的扫描电子显微镜图像，该实施例中，电子传输层120的厚度为123.1nm，钙钛矿层130的厚度为323.7nm，空穴传输层的厚度为181.5nm，可以明显观察到，各层之间界限明显，各层的结晶性能良好，产生了非常明显的平面异质结。
本发明还提供一种使用上述方法制得的太阳电池10。
如图16所示，为本发明一实施例的太阳电池10的剖视示意图。太阳电池10包括基板110、电子传输层120、钙钛矿层130、空穴传输层140以及金属电极150。
基板110可以为一表面设置有导电材料111的玻璃基板，导电材料111设置于玻璃基板的部分表面。电子传输层120设置于所述基板110设置有导电材料111的表面并覆盖导电材料111的至少部分，导电材料111的部分表面未被电子传输层120覆盖。钙钛矿层130设置于所述电子传输层120远离基板110一侧，空穴传输层140设置于钙钛矿层130远离电子传输层120一侧。金属电极150包括第一电极151及第二电极152，第一电极151设置于导电材料111未被电子传输层120覆盖的表面，第二电极152设置于空穴传输层140远离钙钛矿层130一侧，金属电极150拥有较好的导电能力，其可以为金属金。
钙钛矿层130包括钙钛矿晶体结构的材料，钙钛矿层130被光线照射后，其内部会产生电子和空穴，所产生的电子向电子传输层120移动，空穴向空穴传输层140移动，使得电子传输层120与空穴传输层140之间产生电势差，进一步地，第一电极151及第二电极152之间产生电势差并驱动太阳电池10工作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
提供一表面设置有导电材料的基板，对所述基板进行清洗；
提供一铝掺杂的氧化锌溶液，并将所述铝掺杂的氧化锌溶液涂布于所述基板表面以形成一电子传输层；
提供一钙钛矿溶液，并将所述钙钛矿溶液涂布于所述电子传输层远离所述基板的表面以形成一钙钛矿层；
提供一空穴传输层溶液，并将所述空穴传输层溶液涂布于所述钙钛矿层远离所述基板表面形成一空穴传输层；以及
在所述空穴传输层以及基板未被覆盖的表面形成两个电极。
2.如权利要求1所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，对所述基板进行清洗包括如下步骤：
使用去污粉对所述基板进行初次清洗；
依次将所述基板置于去离子水、乙醇、异丙醇、丙酮中并使用超声波进行第二次清洗；以及
将所述基板置于臭氧环境下进行第三次清洗。
3.如权利要求1所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，所提供的铝掺杂的氧化锌溶液包括二水合乙酸锌及二水合乙酸锌。
4.如权利要求1所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，采用旋涂的方式将所述铝掺杂的氧化锌溶液涂布于所述基板表面以形成一电子传输层，旋涂的转速小于5500rpm。
5.如权利要求1所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述电子传输层的氧化锌中铝掺杂的摩尔浓度范围为3％～5％。
6.如权利要求1所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，采用旋涂的方式将所述空穴传输层溶液涂布于所述钙钛矿层远离所述基板表面形成一空穴传输层，旋涂时的转速范围为1500～4500rpm。
7.如权利要求6所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，旋涂所述钙钛矿溶液之前，对承载有所述电子传输层及所述钙钛矿层的基板进行加热。
8.如权利要求6所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，在旋涂所述钙钛矿溶液的过程中向涂布有所述钙钛矿溶液的表面加入氯苯。
9.如权利要求6所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，在所述钙钛矿溶液旋涂完毕后，使用氮气对所述钙钛矿溶液进行风干。
10.一种太阳电池，其特征在于，所述太阳电池包括基板、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层以及金属电极，所述基板一表面设置有导电材料，所述电子传输层设置于所述基板设置有所述导电材料的表面并覆盖所述导电材料的至少部分，所述导电材料的部分表面未被所述电子传输层覆盖，所述钙钛矿层设置于所述电子传输层远离所述基板一侧，所述空穴传输层设置于所述钙钛矿层远离所述电子传输层一侧，所述金属电极包括第一电极及第二电极，所述第一电极设置于所述导电材料未被所述电子传输层覆盖的表面，所述第二电极设置于所述空穴传输层远离所述钙钛矿层一侧。
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