CN110518127A - 一种基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池及制备方法，通过在钙钛矿太阳能电池的钙钛矿层薄膜与空穴传输层之间引入表面活性剂钝化层，起到了钝化钙钛矿层薄膜的作用。所述表面活性剂钝化层可改善氧化镍薄膜表面的水接触角，并在后续制备钙钛矿薄膜的过程中，降低钙钛矿晶核数目，使得钙钛矿层的结晶性更好，晶粒尺寸较大。同时本发明公开的钙钛矿太阳能电池，具有更高的光吸收系数，并因为降低了钙钛矿的界面缺陷，故具有更低的缺陷态密度，及更大的开路电压、短路电流密度和填充因子，因此具有更高的光电转换效率，提升了整体性能。并且，本发明公开的钙钛矿太阳能电池中钝化层的制备方法，不需要任何有机溶剂的参与，更加简便和安全。

Description

一种基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池及制备方法
技术领域
本发明涉及钙钛矿太阳能电池及制备方法，尤其涉及一种基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能是21世纪备受瞩目的新能源之一，在过去的几十年里，太阳能电池领域被认为是替代传统的化石燃料最有前途的选择之一。在众多光伏器件中，钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)的光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)在近几年里获得了最快速度的发展。
钙钛矿(CH3NH3PbI3)太阳能电池，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体材料作为吸光层的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。因为其采用的有机-无机杂化钙钛矿材料，具有吸光系数高、载流子迁移率和扩散长度大、带隙可调节等一系列优点，故在太阳能电池领域受到了广泛的关注。
目前，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破25％，已与成熟的薄膜太阳能电池如铜铟硒化镓(CIGS)和碲化镉(CdTe)太阳能电池性能相当。更重要的是，钙钛矿太阳能电池还可以进行低温处理，这就使得它在需要解决可拉伸问题的下一代低成本光伏工艺中，具有很大的竞争优势。并且，可低温加工性也使得钙钛矿太阳能电池与柔性可穿戴电子设备兼容。
虽然钙钛矿太阳能电池已取得了较高的光电转换效率，但是其短路电流密度和开路电压仍远小于理论极限(分别为26mA/cm2和1.3V)。大量文献显示，钙钛矿太阳能电池的光伏参数，与光生载流子在钙钛矿内部或表面缺陷处的复合极为相关。因此，科学家们提出了各种方法来提升钙钛矿层的吸光能力和薄膜质量，包括提高结晶度、降低针孔缺陷率、改善钙钛矿层与其他功能层之间的界面接触性能等方法。鉴于薄膜制备技术的发展，当前通过各种方法所制备的优质钙钛矿薄膜，基本上已经是由一层钙钛矿晶粒紧密排列而成，故光生载流子的扩散长度远大于钙钛矿薄膜的厚度，这就使得钙钛矿内部的光生载流子复合基本可以忽略不计。因此，抑制钙钛矿薄膜界面缺陷的产生、以及减少光生载流子在界面缺陷处的复合，则是进一步提升钙钛矿太阳能电池性能的关键。
界面钝化往往是抑制电荷在钙钛矿表层快速复合的重要方法之一，它可以提升器件的开路电压和长期稳定性。界面钝化可用的材料有很多，比如在钙钛矿薄膜表面引入适量的氯原子，或者在其晶界处引入过量的碘化铅，都可以改善钙钛矿层的能级并同时抑制非辐射损耗。近两年，聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四氟乙烯(PTFE)等聚合物也被用来制备钝化薄膜，以改善钙钛矿层的表面缺陷态。然而，这些材料均需要溶解在氯苯、二甲基甲酰胺(DMF)等有毒的有机溶剂中才能进行后续的操作，这无疑增加了实验的成本和难度。
因此，采用一种简单、安全、可控的新方法制备性能良好的表面活性剂钝化层，对于制造更高效率的钙钛矿太阳能电池，就很有必要。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种更加简单、安全、可控的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，以制造整体性能更优的钙钛矿太阳能电池。
为实现上述目的，本发明首先公开了一种基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括依次叠加组合的空穴阻挡层、电子传输层、钙钛矿层、表面活性剂钝化层、空穴传输层、FTO透明电极层和玻璃基底；其中：所述空穴阻挡层和所述FTO透明电极层分别连接电极；所述玻璃基底为刻蚀过的FTO导电玻璃基底，所述玻璃基底的正面朝外，接受光照，所述玻璃基底的背面设有FTO透明电极层；所述空穴传输层为氧化镍薄膜；所述表面活性剂钝化层为一阴离子型表面活性剂薄层；所述电子传输层为富勒烯衍生物层；所述空穴阻挡层为浴铜灵层。
进一步地，所述阴离子型表面活性剂为：十二烷基苯磺酸钠、烷基硫酸钠、仲烷基硫酸钠、或烷基芳基磺酸钠中的一种。
本发明还公开了一种基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的制备方法，依次包括以下步骤：
a.清洗基底：清洗所述玻璃基底并吹干；
b.制备空穴传输层：在所述FTO透明电极层上制备一层氧化镍薄膜；
c.制备表面活性剂钝化层：在所述氧化镍薄膜上制备一层所述阴离子型表面活性剂薄层；
d.制备钙铁矿层：在所述表面活性剂钝化层上制备钙钛矿层；
e.制备电子传输层：在所述钙铁矿层上制备富勒烯衍生物层并干燥；
f.制备空穴阻挡层：在所述富勒烯衍生物层上制备浴铜灵层并干燥；
g.制备电极：在所述空穴阻挡层和所述FTO透明电极层上分别制备所述电极。
进一步地，所述步骤a具体包括：
使用紫外臭氧清洗机对所述玻璃基底进行表面处理；
在有机溶剂及去离子水中使用超声清洗；
采用氮气吹干所述玻璃基底。
进一步地，所述步骤b中，通过电化学沉积法制备所述氧化镍薄膜，厚度为50nm，退火温度为300℃，退火时间为2小时。
进一步地，所述步骤c具体包括：
c1.将所述阴离子型表面活性剂溶解在去离子水中，制得阴离子型表面活性剂水溶液，浓度为0.2mg/mL；
c2.将所述阴离子型表面活性剂水溶液旋涂在沉积有氧化镍的FTO导电玻璃基底上，并烘干。
进一步地，所述步骤d中，采用一步旋涂法，在氮气环境中，制备所述钙钛矿层。
进一步地，c2步骤中，所述旋涂参数具体为500rpm，持续3秒；接着4000rpm，持续30秒，并在70℃条件下烘干。
进一步地，所述表面活性剂钝化层的厚度为1-2nm。
进一步地，所述电极为银电极。
本发明通过在钙钛矿太阳能电池的钙钛矿层薄膜与空穴传输层之间引入表面活性剂钝化层，起到了钝化钙钛矿薄膜的作用。所述表面活性剂钝化层可改善所述氧化镍薄膜表面的水接触角，并在后续制备钙钛矿薄膜的过程中，降低钙钛矿晶核数目，使得钙钛矿层的结晶性更好，可获取较大的晶粒尺寸。同时本发明公开的钙钛矿太阳能电池，具有更高的光吸收系数，并因为降低了钙钛矿的界面缺陷，故具有更低的缺陷态密度，及更大的开路电压、短路电流密度和填充因子，因此具有更高的光电转换效率，提升了钙钛矿太阳能电池的整体性能。并且，本发明公开的钙钛矿太阳能电池中钝化层的制备方法，因为不需要任何有机溶剂的参与，故更加简便和安全。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例中基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的内部结构示意图。
图2是本发明的一个较佳实施例中基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池和无钝化层的参比钙钛矿太阳能电池的光电性能对比图。
图3是本发明的一个较佳实施例中基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池和无钝化层的参比钙钛矿太阳能电池的外量子效率光谱图。
图中：1-电极；2-空穴阻挡层；3-电子传输层；4-钙钛矿层；5.-表面活性剂钝化层；6-空穴传输层；7-FTO透明电极层；8-玻璃基底。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
本发明公开了一种基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池及制备方法，所述基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的基本结构如图1所示，包括依次叠加组合的空穴阻挡层2、电子传输层3、钙钛矿层4、表面活性剂钝化层5、空穴传输层6、FTO透明电极层7和玻璃基底8。其中，在空穴阻挡层2和FTO透明电极层7上，分别连接有电极1，优选为银电极。
玻璃基底8为刻蚀过的FTO导电玻璃基底，其中，FTO透明电极层7设置在玻璃基底8的背面，即图1中的上表面。并且在使用时，玻璃基底8的正面，即图1中的下表面朝外，接受光照。光线从玻璃基底8的正面射入所述钙钛矿太阳能电池，并穿过FTO透明电极层7，到达空穴传输层6，开始光化学反应，产生电流。
在制作所述基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池之前，首选需要对玻璃基底8进行清洗并吹干。所述清洗包括在有机溶剂及去离子水中都进行超声清洗。其中，所述有机溶剂包括但不限于：丙酮、异丙醇、乙醇。在所述有机溶剂和去离子水中，都超声清洗一段时间，例如各15分钟，之后用氮气吹干，并用紫外臭氧清洗机对其进行表面处理，时间为20分钟。
空穴传输层6为氧化镍薄膜，制作时，通过电化学沉积法在FTO透明电极层7上，制备一层厚度约为50纳米的氧化镍薄膜，然后放入300℃的马弗炉中退火2小时。
在空穴传输层6上，设置一层表面活性剂钝化层5，表面活性剂钝化层5为一阴离子型表面活性剂薄层，所述阴离子型表面活性剂至少包括十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、烷基硫酸钠、仲烷基硫酸钠、或烷基芳基磺酸钠中的一种。为简单起见，以下实施例中以SDBS为例进行讲述表面活性剂钝化层5的制备方法，但本领域的普通技术人员，显然可以采用不同的阴离子型表面活性剂，在不需要付出创造性劳动的情况下，即可获得相应材料的表面活性剂钝化层5。
当所述阴离子型表面活性剂采用SDBS时，首先将SDBS的粉末溶解在去离子水中，室温下搅拌1小时，配制成浓度为0.2mg/mL的澄清溶液。之后将溶液通过0.45微米的水系过滤头进行过滤，有效去除杂质，然后即可制备表面活性剂钝化层5。具体操作如下：将SDBS的水溶液旋涂在制得的所述氧化镍薄膜上，即旋涂在空穴传输层6上。采用的旋涂参数可以为500转/分钟(rpm)，持续3秒后，切换为4000rpm，持续30秒，即可旋涂均匀。之后将旋涂好的样片，即均匀旋涂有所述阴离子型表面活性剂水溶液，本实施例中是SDBS水溶液的氧化镍薄膜，放入70℃的烘箱中，低温烘烤20分钟，即可制得采用了SDBS的表面活性剂钝化层5，所制得的表面活性剂钝化层5的薄膜厚度约为1～2纳米。制得的表面活性剂钝化层5，可以改善氧化镍薄膜表面的水接触角，在后续制备钙钛矿薄膜的过程中降低钙钛矿晶核数目，促使钙钛矿层结晶性更好并获取较大的晶粒尺寸。同时还可以降低钙钛矿的界面缺陷，提升钙钛矿太阳电池的整体性能
在表面活性剂钝化层5上，再制备一层钙铁矿层4。首先，将上述制备好的样品，即已经叠加一起的表面活性剂钝化层5、空穴传输层6、FTO透明电极层7和玻璃基底8，放入高纯氮气环境中，例如充满高纯氮气的手套箱中，采用一步旋涂法，制备所述钙钛矿层。紧接着将样品放入100℃的马弗炉中处理10分钟。即可在样品上增加一层钙铁矿层4。
然后在钙铁矿层4上旋涂富勒烯衍生物(PCBM)层并烘干，得到电子传输层3；再旋涂浴铜灵(BCP)层并烘干，得到空穴阻挡层2。
最后在空穴阻挡层2和FTO透明电极层7上制备电极1，尤其是采用热蒸发工艺制备银电极，即可完成制作本发明的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池。
可见，本发明的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的制备方法依次包括以下步骤：
a.清洗基底：清洗玻璃基底8并吹干；
b.制备空穴传输层6：在FTO透明电极层7上制备一层氧化镍薄膜；
c.制备表面活性剂钝化层5：在所述氧化镍薄膜上制备一层所述阴离子型表面活性剂的薄层；
d.制备钙铁矿层4：在所述表面活性剂钝化层5上制备钙钛矿层4；
e.制备电子传输层3：在所述钙铁矿层4上制备富勒烯衍生物层并干燥；
f.制备空穴阻挡层2：在所述富勒烯衍生物层上制备浴铜灵层并干燥
g.制备电极：在空穴阻挡层2上和FTO透明电极层7上分别制备电极1，例如采用热蒸发工艺制备银电极。
与现有的无钝化层的钙钛矿薄膜相比，本发明公开的基于表面活性剂钝化的钙钛矿薄膜具有更大的晶粒尺寸，更高的光吸收系数，和更低的缺陷态密度，因此具有更佳的光电性能。具体可参考图2的光电性能对比图。图中可见，不管外加电压是正扫还是反扫，I-V曲线中，本发明的采用了表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池都优于未采用表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池。
具体数据可见下表。
表1：本发明的一个较佳实施例中基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池和无钝化层的参比钙钛矿太阳能电池的光电性能对比表。
表中可见，不管外加电压是正扫还是反扫，本发明的采用了表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池都优于未采用表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池。
图3进一步展示了本发明的一个较佳实施例中，基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池和无钝化层的参比钙钛矿太阳能电池的外量子效率光谱图。图中可见，在各个波长下，测量外量子效率和电流密度两个物理量，本发明所公开的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池都高于未采用表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池，即本发明公开的钙钛矿太阳能电池的性能更优异。
综上所述，本发明通过在钙钛矿太阳能电池的钙钛矿层4薄膜与空穴传输层6之间引入表面活性剂钝化层5，起到了钝化钙钛矿薄膜的作用。表面活性剂钝化层5可改善所述氧化镍薄膜表面的水接触角，并在后续制备钙钛矿薄膜的过程中，降低钙钛矿晶核数目，使得钙钛矿层的结晶性更好，可获取较大的晶粒尺寸。同时本发明公开的钙钛矿太阳能电池，具有更高的光吸收系数，并因为降低了钙钛矿的界面缺陷，故具有更低的缺陷态密度，及更大的开路电压、短路电流密度和填充因子，因此具有更高的光电转换效率，提升了钙钛矿太阳能电池的整体性能。并且，本发明公开的钙钛矿太阳能电池中钝化层的制备方法，因为不需要任何有机溶剂的参与，故更加简便和安全。
以上内容详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依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 (10)

1.一种基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括依次叠加组合的空穴阻挡层、电子传输层、钙钛矿层、表面活性剂钝化层、空穴传输层、FTO透明电极层和玻璃基底；其中：
所述空穴阻挡层和所述FTO透明电极层分别连接电极；
所述玻璃基底为刻蚀过的FTO导电玻璃基底，所述玻璃基底的正面朝外，接受光照，所述玻璃基底的背面设有FTO透明电极层；
所述空穴传输层为氧化镍薄膜；
所述表面活性剂钝化层为一阴离子型表面活性剂薄层；
所述电子传输层为富勒烯衍生物层；
所述空穴阻挡层为浴铜灵层。
2.根据权利要求1所述的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述阴离子型表面活性剂为：十二烷基苯磺酸钠、烷基硫酸钠、仲烷基硫酸钠、或烷基芳基磺酸钠中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
a.清洗基底：清洗所述玻璃基底并吹干；
b.制备空穴传输层：在所述FTO透明电极层上制备一层氧化镍薄膜；
c.制备表面活性剂钝化层：在所述氧化镍薄膜上制备一层所述阴离子型表面活性剂薄层；
d.制备钙铁矿层：在所述表面活性剂钝化层上制备钙钛矿层；
e.制备电子传输层：在所述钙铁矿层上制备富勒烯衍生物层并干燥；
f.制备空穴阻挡层：在所述富勒烯衍生物层上制备浴铜灵层并干燥；
g.制备电极：在所述空穴阻挡层和所述FTO透明电极层上分别制备所述电极。
4.根据权利要求3所述的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤a具体包括：
使用紫外臭氧清洗机对所述玻璃基底进行表面处理；
在有机溶剂及去离子水中使用超声清洗；
采用氮气吹干所述玻璃基底。
5.根据权利要求3所述的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，通过电化学沉积法制备所述氧化镍薄膜，厚度为50nm，退火温度为300℃，退火时间为2小时。
6.根据权利要求3所述的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤c具体包括：
c1.将所述阴离子型表面活性剂溶解在去离子水中，制得阴离子型表面活性剂水溶液，浓度为0.2mg/mL；
c2.将所述阴离子型表面活性剂水溶液旋涂在沉积有氧化镍的FTO导电玻璃基底上，并烘干。
7.根据权利要求3所述的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤d中，采用一步旋涂法，在氮气环境中，制备所述钙钛矿层。
8.根据权利要求6所述的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，c2步骤中，所述旋涂参数具体为500rpm，持续3秒；接着4000rpm，持续30秒，并在70℃条件下烘干。
9.根据权利要求8所述的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂钝化层的厚度为1-2nm。
10.根据权利要求9所述的基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述电极为银电极。
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