CN112490363B - 一种基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿太阳能电池制备方法 - Google Patents

一种基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿太阳能电池制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿太阳能电池，是以磁控溅射氧化锌作为电子传输层，并旋涂二氧化锡构成双电子传输层的钙钛矿太阳能电池，从而提高了电子传输层的迁移率，改善薄膜致密性，提高载流子传输，提高器件的光电转化效率和稳定性。本发明可以在低温条件下制备氧化锌和二氧化锡电子传输层，得到稳定的高性能钙钛矿太阳能电池。

Description

一种基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿 太阳能电池制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池制备技术，具体地说是一种基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿太阳能电池制备方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
随着环境污染和能源枯竭等问题日益紧迫，寻找一种可再生的绿色能源替代传统化石能源已经成为全人类共同关心的问题。太阳能电池将太阳能直接转换为电能，具有绿色环保，安全可靠，寿命长等优点，已经成为国内外的研究热点。目前，硅基太阳能电池市场占有度最高，但是由于高成本和复杂工艺等原因制约了其长远发展。因此，人们逐渐将目光转向低成本，低能耗，原料丰富的新型光伏材料。
相比较传统的硅基太阳能电池，钙钛矿太阳能电池作为下一代新型光伏器件引起了广泛的关注，其结构包括透明导电衬底，电子传输层，钙钛矿吸收层，空穴传输层，金属电极。由于其具有优异的光吸收性能，高的载流子迁移率，长的载流子寿命和扩散长度，使得钙钛矿材料更适合太阳能电池器件。电子传输材料在电池中的主要作用是阻挡空穴传输以及平衡电子空穴传输距离，对电池的性能有重要的影响。
发明内容
本发明提供了一种基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法。本发明以磁控溅射氧化锌作为电子传输层，并旋涂二氧化锡构成双电子传输层的钙钛矿太阳能电池，从而提高了电子传输层的迁移率，改善薄膜致密性，提高载流子传输，提高器件的光电转化效率和稳定性。
本发明基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿太阳能电池，是通过包括如下步骤的方法制备获得：
步骤1：将氧化锌靶材固定在腔体内，将FTO导电玻璃固定在靶材上方，关闭腔体，利用双极脉冲电源进行溅射氧化锌，调节氧气6.0-8.0sccm，氩气45-55sccm，气压比为1-3Pa，溅射1-2分钟，溅射完成后取出；
步骤2：将步骤1获得的薄膜用二氧化锡溶液3000rmp/30s进行旋涂，然后空气中150-160℃退火30分钟，在氧化锌上得到一层二氧化锡薄膜；
步骤3：在步骤2获得的二氧化锡-氧化锌双电子传输层上旋涂钙钛矿吸光层和空穴传输层，最后蒸镀银电极，从而获得基于二氧化锡和磁控溅射氧化锌双电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
步骤1中，靶材和FTO导电玻璃的溅射间距控制在4-6cm。
步骤2中，所述二氧化锡溶液为二氧化锡水溶胶(15％，购自合肥拜尔迪化学科技有限公司)与水以体积比为1:5-1:9的比例进行稀释，搅拌40分钟，过滤，得到所需的二氧化锡溶液。
步骤3中，所述钙钛矿吸光层是通过包括如下步骤的方法制备：取0.461g碘化铅(PbI2)和0.159g甲基碘化胺(CH3NH3I)药品放入棕色小瓶中，分别用移液枪往瓶中滴加635ul的二甲基甲酰胺(DMF)和72ul的二甲基亚砜(DMSO)，加入转子后磁力搅拌1小时，之后过滤，得到钙钛矿溶液；以4000rmp/25s的速度在匀胶机上旋涂钙钛矿溶液，并在第5s时滴加乙酸乙酯反溶剂，最后以70℃退火20min得到钙钛矿吸收层。以上操作均在手套箱内进行。
步骤3中，所述空穴传输层是通过包括如下步骤的方法制备：取72.3mg的Spiro-OMeTAD药品溶于1ml的氯苯溶液中，再依次滴加29ul的4-叔丁基吡啶(4-TBP)和18ul的Li-TFSI，然后加入转子磁力搅拌40min，过滤，得到Spiro-OMeTAD溶液；以3000rmp/30s的速度在匀胶机上旋涂Spiro-OMeTAD溶液，得到空穴层。以上操作同样在手套箱内进行。
与目前最常用的氧化钛电子传输材料相比，氧化锌具有与氧化钛类似的能级位置，更高的电子传输速率，以及多种多样的制备手段。本发明采用磁控溅射的方法制备致密的氧化锌薄膜，并用二氧化锡进行修饰，退火温度仅需要150℃，可大大减少能耗，且不影响柔性应用，并极大的改善了电池的性能，提高其稳定性。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿太阳能电池，具有以下几点优势：
(1)二氧化锡的加入一定程度上避免了氧化锌和钙钛矿的直接接触，提高了热稳定性，抑制了钙钛矿的分解，有助于形成高质量的钙钛矿吸收层；
(2)二氧化锡的加入填补了氧空位，大大减少了钙钛矿/ZnO界面的电荷复合，提供了更合适的能级和更高的载流子迁移率；
(3)一定程度上提高电池的开路电压，从而提高光电转化效率；
(4)该方法具有制备温度低，制备方法简单，故可在柔性衬底上制备，从而得到高的光电转化效率，适合大规模生产。
附图说明
图1是基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。其中1为导电玻璃(FTO)，2磁控溅射氧化锌，3为二氧化锡，4为钙钛矿吸光层，5为空穴传输层，6为银电极。
图2是磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层表面的扫描电子显微镜(SEM)照片。从图2中可以看出，磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层表面致密光滑，有利于钙钛矿层的沉积。
图3是磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层上钙钛矿表面的扫描电子显微镜(SEM)照片。从图3中可以看出，在磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层上沉积的钙钛矿薄膜较为致密均匀。
图4是磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层断面扫描电子显微镜(SEM)照片。从图4中可以看出，氧化锌较为均匀的沉积在FTO上，并在氧化锌上沉积了一层二氧化锡薄膜。
图5是磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层上钙钛矿断面的扫描电子显微镜(SEM)照片。从图5中可以看出，在磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层上沉积了一层钙钛矿薄膜。
图6是磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层上钙钛矿XRD图谱。从图6中可以看出，沉积在磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层上的薄膜满足钙钛矿薄膜相应的衍射峰，证明沉积的薄膜是钙钛矿薄膜
图7是磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层上钙钛矿吸光层的紫外-可见-近红外吸收谱。从图7中可以看出，本发明可以实现可见至近红外光宽光谱响应。
图8是基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿太阳能电池的电流-电压(I-V)光伏曲线。从图8中可以看出，基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿太阳能电池具有较好的性能参数，从而得到较高的光电转换效率。
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。
实施例1：
1、将氧化锌靶材置于腔体内，并将FTO导电玻璃固定在靶材上方，关闭腔体，抽真空，调节氧气6.0-8.0sccm，氩气45-55sccm，气压比为1-3pa。打开双极脉冲电源，选取溅射时间1-6分钟；溅射完成后从腔体内取出；
2、将步骤中获得的基于磁控溅射氧化锌单电子传输层上旋涂钙钛矿层和空穴层，最后蒸镀银电极，从而获得基于磁控溅射氧化锌单电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
所述钙钛矿吸光层制备过程为：取0.461g的碘化铅(PbI2)和0.159g的甲基碘化胺(CH3NH3I)药品放入棕色瓶中，分别用移液枪往瓶中滴加635ul的二甲基甲酰胺(DMF)和72ul的二甲基亚砜(DMSO)，加入转子后磁力搅拌1小时，之后过滤，得到钙钛矿溶液。再以4000rmp/25s的速度在匀胶机上旋涂钙钛矿溶液，并在第5s时滴加乙酸乙酯反溶剂，最后以70℃退火20min得到钙钛矿吸收层。以上操作均在手套箱内进行。
所述空穴层制备过程为：取72.3mg的Spiro-OMeTAD药品溶于1ml的氯苯溶液中，再依次滴加29ul的4-叔丁基吡啶(4-TBP)和18ul的Li-TFSI，然后加入转子磁力搅拌40min，过滤，得到Spiro-OMeTAD溶液。再以3000rmp/30s的速度在匀胶机上旋涂Spiro-OMeTAD溶液，得到空穴层。以上操作同样在手套箱内进行。
3、将步骤2获得的钙钛矿太阳能电池进行器件光电转换性能的测试，见下表1。
表1不同溅射时间条件下基于单层氧化锌电子传输层的太阳能电池性能
样品编号 溅射时间(分钟) 光电转换效率(％)
1 1 10.1251
2 2 13.097
3 3 8.797
4 4 5.0567
5 5 4.41
6 6 3.441
从表1可以看出，不同溅射时间参数对相应太阳能电池性能有较大影响。
实施例2：
1、将氧化锌靶材置于腔体内，并将FTO导电玻璃固定在靶材上方，关闭腔体，抽真空，调节氧气6.0-8.0，氩气45-55，气压比为1-3pa。打开双极脉冲电源，选取溅射时间2分钟；溅射完成后从腔体内取出；
2、将步骤1制备的薄膜用二氧化锡溶液在3000rmp/30s下进行旋涂，选取在空气中120℃-180℃退火30分钟，从而在氧化锌表面得到一层二氧化锡薄膜；
所述二氧化锡溶液为用二氧化锡水溶胶与水以体积比为1:5-1:9的比例进行稀释，之后搅拌40分钟，过滤，得到所需的二氧化锡溶液。
3、将步骤2获得的二氧化锡-氧化锌双电子传输层上旋涂钙钛矿吸光层和空穴传输层，最后蒸镀银电极，从而获得基于二氧化锡和磁控溅射氧化锌双电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
所述钙钛矿吸光层制备过程为：取0.461g的碘化铅(PbI2)和0.159g的甲基碘化胺(CH3NH3I)药品放入棕色小瓶中，分别用移液枪往瓶中滴加635ul的二甲基甲酰胺(DMF)和72ul的二甲基亚砜(DMSO)，加入转子后磁力搅拌1小时，之后过滤，得到钙钛矿溶液。再以4000rmp/25s的速度在匀胶机上旋涂钙钛矿溶液，并在第5s时滴加乙酸乙酯反溶剂，最后以70℃退火20min得到钙钛矿吸收层。以上操作均在手套箱内进行。
所述空穴层制备过程为：取72.3mg的Spiro-OMeTAD药品溶于1ml的氯苯溶液中，再依次滴加29ul的4-叔丁基吡啶(4-TBP)和18ul的Li-TFSI，然后加入转子磁力搅拌40min，过滤，得到Spiro-OMeTAD溶液。再以3000rmp/30s的速度在匀胶机上旋涂Spiro-OMeTAD溶液，得到空穴层。以上操作同样在手套箱内进行。
4、将步骤3获得的钙钛矿太阳能电池进行器件光电转换性能的测试，见下表2。
表2不同退火条件下基于二氧化锡和氧化锌双电子传输层的太阳能电池性能
样品编号 退火温度(℃) 光电转换效率(％)
1 120 9.774
2 130 11.097
3 140 13.097
4 150 15.4589
5 160 14.1815
6 170 11.341
7 180 10.251
从表2可以看出，不同退火温度对相应太阳能电池性能有较大影响。
实施例3：
1、将氧化锌靶材置于腔体内，并将FTO导电玻璃固定在靶材上方，调节靶材和FTO导电玻璃的间距分别为2～9cm，关闭腔体，抽真空，调节氧气6.0-8.0sccm，氩气45-55sccm，气压比为1-3pa。打开双极脉冲电源，选取溅射时间2分钟；溅射完成后从腔体内取出；
2、将步骤1制备的薄膜用二氧化锡溶液在3000rmp/30s下进行旋涂，在空气中150℃退火30分钟，从而在氧化锌表面得到一层二氧化锡薄膜；
所述二氧化锡溶液为用二氧化锡水溶胶与水以体积比为1:5-1:9的比例进行稀释，之后搅拌40分钟，过滤，得到所需的二氧化锡溶液。
3、在步骤2获得的基于二氧化锡和磁控溅射氧化锌上双电子传输层上旋涂钙钛矿层和空穴层，最后蒸镀银电极，从而获得基于二氧化锡和磁控溅射氧化锌双电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
所述钙钛矿吸光层制备过程为：取0.461g的碘化铅(PbI2)和0.159g的甲基碘化胺(CH3NH3I)药品放入棕色瓶中，分别用移液枪往瓶中滴加635ul的二甲基甲酰胺(DMF)和72ul的二甲基亚砜(DMSO)，加入转子后磁力搅拌1小时，之后过滤，得到钙钛矿溶液。再以4000rmp/25s的速度在匀胶机上旋涂钙钛矿溶液，并在第5s时滴加乙酸乙酯反溶剂，最后以70℃退火20min得到钙钛矿吸收层。以上操作均在手套箱内进行。
所述空穴层制备过程为：取72.3mg的Spiro-OMeTAD药品溶于1ml的氯苯溶液中，再依次滴加29ul的4-叔丁基吡啶(4-TBP)和18ul的Li-TFSI，然后加入转子磁力搅拌40min，过滤，得到Spiro-OMeTAD溶液。再以3000rmp/30s的速度在匀胶机上旋涂Spiro-OMeTAD溶液，得到空穴层。以上操作同样在手套箱内进行。
4、将步骤3获得的钙钛矿太阳能电池进行器件光电转换性能的测试，见下表3。
表3基于样品和靶材不同溅射间距条件下的太阳能电池性能
样品编号 溅射间距(cm) 光电转换效率(％)
1 9 8.08
2 8 9.68
3 7 10.76
4 6 13.35
5 5 15.8251
6 4 14.312
7 3 12.15
8 2 9.01
从表3可以看出，溅射间距对相应太阳能电池性能有较大影响。

Claims (3)

1.一种基于磁控溅射氧化锌/二氧化锡双电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：
所述钙钛矿太阳能电池是以磁控溅射氧化锌作为电子传输层，并旋涂二氧化锡构成双电子传输层的钙钛矿太阳能电池，从而提高了电子传输层的迁移率，改善薄膜致密性，提高载流子传输，提高器件的光电转化效率和稳定性；
所述钙钛矿太阳能电池是通过包括如下步骤的方法制备获得：
步骤1：将氧化锌靶材固定在腔体内，将FTO导电玻璃固定在靶材上方，关闭腔体，利用双极脉冲电源进行溅射氧化锌，调节氧气6.0-8.0sccm，氩气45-55sccm，气压为1-3Pa，溅射完成后取出；靶材和FTO导电玻璃的溅射间距控制在4-6cm；溅射时间为1-2分钟；
步骤2：将步骤1获得的薄膜用二氧化锡溶液3000rmp/30s进行旋涂，然后空气中退火，在氧化锌上得到一层二氧化锡薄膜；所述二氧化锡溶液为二氧化锡水溶胶与水以体积比为1:5-1:9的比例进行稀释，搅拌40分钟，过滤，得到所需的二氧化锡溶液；所述退火是于150-160℃退火30分钟；
步骤3：在步骤2获得的二氧化锡-氧化锌双电子传输层上旋涂钙钛矿吸光层和空穴传输层，最后蒸镀银电极，从而获得基于二氧化锡和磁控溅射氧化锌双电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：
步骤3中，所述钙钛矿吸光层是通过包括如下步骤的方法制备：取0.461g碘化铅和0.159g甲基碘化胺药品放入棕色小瓶中，分别用移液枪往瓶中滴加635μL的二甲基甲酰胺和72μL的二甲基亚砜，加入转子后磁力搅拌1小时，之后过滤，得到钙钛矿溶液；以4000rmp/25s的速度在匀胶机上旋涂钙钛矿溶液，并在第5s时滴加乙酸乙酯反溶剂，最后以70℃退火20min得到钙钛矿吸收层。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：
步骤3中，所述空穴传输层是通过包括如下步骤的方法制备：取72.3mg的Spiro-OMeTAD药品溶于1mL的氯苯溶液中，再依次滴加29μL的4-叔丁基吡啶和18μL的Li-TFSI，然后加入转子磁力搅拌40min，过滤，得到Spiro-OMeTAD溶液；以3000rmp/30s的速度在匀胶机上旋涂Spiro-OMeTAD溶液，得到空穴传输层。
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