CN117412615A - 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，所述钙钛矿太阳能电池结构依次为玻璃基底和FTO透明电极层、空穴传输层、钙钛矿层、离子液体钝化层、表面活性剂钝化层、电子传输层、空穴阻挡层、背电极；本发明在钙钛矿层上引入离子液体钝化层，用于钝化钙钛矿层的表面缺陷，提高钙钛矿的结晶度、晶粒尺寸，降低针孔缺陷率；在离子液体上再引入表面活性剂钝化层，增大钙钛矿表面的浸润性，提高钙钛矿层与其他传输层的界面接触，提高载流子传输性能，降低载流子的界面负荷；本发明制备的太阳能电池，具有更优的结晶度，更大的晶粒尺寸，更高的开路电压、短路电流密度和填充因子，因此具有更优异的光电性能。
Description
技术领域
本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，尤其涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，能源成为了21世纪的焦点问题。传统的不可再生能源的逐渐枯竭，使用时对环境以及臭氧层造成的危害，成为制约人类社会继续向前发展的关键问题。
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。
钙钛矿太阳能电池具有制备工艺简单、成本低廉和种类丰富等优点，近十年光电转换效率（PCE）增长迅速。目前，钙钛矿太阳能电池的PCE已经达到26.1%，已经可以与发展成熟的硅太阳能电池相媲美，达到了商业化的效率要求。
钙钛矿太阳能电池器件中的钙钛矿吸光层是光生激子发生分离的场所，钙钛矿薄膜质量的优劣严重影响钙钛矿太阳能电池的光电性能。
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。但都比较复杂且效果不好。
因此，采用一种简单、安全、可控的新方法制备性能良好的钝化层，用于钝化钙钛矿层，提高钙钛矿层与其他功能层之间的界面接触性能，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
本发明的目的旨在针对现有技术的缺陷，本发明提出使用离子液体、表面活性剂双体系钝化钙钛矿层的新概念，从钝化钙钛矿层表面的缺陷以及提高钙钛矿层表面的浸润性、提升载流子的界面传输能力角度出发提升钙钛矿太阳能电池的开路电压、短路电流密度和填充因子，从而提升钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池结构依次为玻璃基底和FTO透明电极层、空穴传输层、钙钛矿层、离子液体钝化层、表面活性剂钝化层、电子传输层、空穴阻挡层、背电极；首先在钙钛矿层上引入一层离子液体钝化层，用于钝化钙钛矿层的表面缺陷，提高钙钛矿的结晶度，提高晶粒尺寸，降低针孔缺陷率；之后，在离子液体上再引入一层表面活性剂钝化层，提高钙钛矿层与电子传输层的界面接触性能，增大钙钛矿表面的浸润性，提高载流子传输性能，降低载流子的界面负荷。
作为优选的技术方案，所述玻璃基底为经盐酸/锌粉刻蚀过的FTO导电玻璃基底，所述空穴传输层为氧化镍层，所述钙钛矿层结构式为CH3NH3PbI3，所述离子液体钝化层为离子液体薄层，所述表面活性剂钝化层为表面活性剂薄层，所述电子传输层为C60或PCBM层，所述空穴阻挡层为BCP层，所述背电极为银/金/铝电极。
本发明还提供了一种制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括步骤：
1）制备玻璃基底和FTO透明电极层
将盐酸/锌粉刻蚀的FTO导电玻璃依次经过去离子水、乙醇、丙酮分别超声清洗15～20min，氮气吹干备用；
2）制备空穴传输层
将氧化镍的乙腈前驱体溶液通过喷涂法喷涂于上述FTO导电玻璃上，将涂有氧化镍溶液的FTO基底在400～500℃下退火50～70 min，得到氧化镍空穴传输层，厚度为5～15nm；
3）制备钙钛矿层
通过旋涂法或涂布法将钙钛矿前驱体溶液涂覆到上述步骤的空穴传输层上，而后经70～150℃退火15～25min，形成钙钛矿层，厚度为100～300 nm；
4）制备离子液体钝化层
通过旋涂或涂布法将离子液体的乙醇、甲醇、异丙醇、正辛醇溶液涂覆在上述钙钛矿层的表面，而后经70～150℃退火15～25min，形成离子液体钝化层，厚度为5～100 nm；其可以钝化钙钛矿层的表面缺陷，提高钙钛矿的结晶度，提高晶粒尺寸，降低针孔缺陷率；
5）制备表面活性剂钝化层
通过旋涂或涂布法将表面活性剂的乙醇、甲醇、异丙醇、正辛醇、DMF、DMSO、γ-丁内酯溶液涂覆在上述离子液体钝化层的表面，再经70～150℃退火15～25min，形成表面活性剂钝化层，厚度为2～50 nm；
6）制备电子传输层
将PCBM的氯苯前驱体溶液旋涂在上述表面活性剂钝化层上，而后经70～150℃退火15～40 min，形成电子传输层，厚度为5～50 nm；
7）制备空穴阻挡层
将BCP的甲醇溶液旋涂在上述电子传输层上，而后经70～150℃退火15～40 min，形成空穴阻挡层，厚度为2～20nm；
8）制备背电极
在空穴阻挡层上真空蒸镀一层金/银/铝电极，厚度为20～100nm，完成钙钛矿太阳能电池的制备。
作为优选的技术方案，所述步骤3）中的离子液体钝化层使用的离子液体为醋酸盐、甲酸盐、四氟硼酸盐、三氟甲磺酸盐、六氟磷酸盐。
作为进一步的优选，所述醋酸盐为醋酸甲胺、醋酸丁胺、醋酸戊胺中的一种；所述甲酸盐为甲酸甲胺、甲酸丁胺、甲酸戊胺中的一种；所述四氟硼酸盐为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙烯基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的一种；所述三氟甲磺酸盐为1-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-己基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐中的一种；所述六氟磷酸盐为1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的一种。
作为优选的技术方案，所述步骤4）中的退火温度为80～120℃，退火温度进一步优选为90～100℃。
作为优选的技术方案，所述步骤4）中的离子液体钝化层厚度为5～50 nm，其厚度再次优选为5～20 nm，其厚度进一步优选为5～10 nm。
作为优选的技术方案，所述步骤5）中的表面活性剂钝化层使用的表面活性剂为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂。
作为进一步的优选，所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、仲烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸三乙醇胺盐、琥珀酸二异辛酯磺酸钠、松香酸钠中的一种；所述非离子表面活性剂为烷基葡糖苷（APG），脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦（司盘），聚山梨酯（吐温）、烷基醇聚氧乙烯醚、异构十三醇聚氧乙烯醚中的一种。
作为优选的技术方案，所述步骤5）中退火温度为80～120℃，退火温度进一步优选为90～100℃；所述步骤5）中表面活性剂钝化层厚度为2～20 nm其厚度再次优选为2～10nm，其厚度进一步优选为2～5 nm。
本发明的优点：
本发明在钙钛矿层上首先引入一层离子液体钝化层，钝化钙钛矿层的表面缺陷，提高钙钛矿的结晶度，提高晶粒尺寸，降低针孔缺陷率。之后，在离子液体上再引入一层表面活性剂钝化层，提高钙钛矿层与其他传输层的界面接触性能，增大钙钛矿表面的浸润性，提高载流子传输性能，降低载流子的界面负荷。
通过本发明制备的钙钛矿太阳能电池，钙钛矿的结晶度更高，晶粒尺寸更大，开路电压、短路电流密度和填充因子更高，因此通过本发明制备的钙钛矿太阳能电池具有更优异的光电性能。
由于采用了上述技术方案，一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，所述钙钛矿太阳能电池结构依次为玻璃基底和FTO透明电极层、空穴传输层、钙钛矿层、离子液体钝化层、表面活性剂钝化层、电子传输层、空穴阻挡层、背电极；本发明在钙钛矿层上首先引入离子液体钝化层，用于钝化钙钛矿层的表面缺陷，提高钙钛矿的结晶度、晶粒尺寸，降低针孔缺陷率。在离子液体上再引入表面活性剂钝化层，增大钙钛矿表面的浸润性，提高钙钛矿层与其他传输层的界面接触，提高载流子传输性能，降低载流子的界面负荷；本发明制备的钙钛矿太阳能电池，具有更优的结晶度，更大的晶粒尺寸，更高的开路电压、短路电流密度和填充因子，因此具有更优异的光电性能。
附图说明
图1为本发明离子液体、表面活性剂双体系钝化的钙钛矿太阳能电池结构示意图；
图2为 a）对比例1制备的钙钛矿表面SEM图片；b）实施例2制备的经离子液体、表明活性剂钝化的钙钛矿表面SEM图片。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功 效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
所述离子液体、表面活性剂双体系钝化的钙钛矿太阳能电池如图1所示，包括玻璃基底和FTO透明电极层、空穴传输层、钙钛矿层、离子液体钝化层、表面活性剂钝化层、电子传输层、空穴阻挡层、背电极。
对比例1
1、玻璃基底和FTO透明电极层的制备：将使用Zn/HCl刻蚀的FTO导电玻璃依次经过去离子水、乙醇、丙酮分别超声清洗20 min，氮气吹干备用。
2、空穴传输层的制备：将氧化镍的乙腈前驱体溶液通过喷涂法喷涂于上述FTO导电玻璃上，将涂有氧化镍溶液的FTO基底在500℃下退火60 min，得到氧化镍空穴传输层，厚度为10 nm。
3、钙钛矿层的制备：将甲基碘化铵（MAI）和碘化铅（PbI2）按摩尔比为1:1溶解到DMF和DMSO混合溶剂（1：1，V:V）中，形成钙钛矿前驱体溶液，旋涂到上述步骤的空穴传输层上，而后经100℃退火20 min，形成钙钛矿层，厚度为100～300 nm。
4、电子传输层的制备：将PCBM的氯苯前驱体溶液旋涂在上述表面活性剂钝化层上，而后经90℃退火20 min，形成电子传输层，厚度为25 nm。
5、BCP层的制备：将BCP的甲醇溶液旋涂在上述电子传输层上，而后经80℃退火30min，形成空穴阻挡层，厚度为10 nm。
6、背电极的制备：在空穴阻挡层上真空蒸镀一层金/银/铝电极，厚度为80 nm，完成钙钛矿太阳能电池的制备。
实施例1
1、玻璃基底和FTO透明电极层的制备：将Zn/HCl刻蚀的FTO导电玻璃依次经过去离子水、乙醇、丙酮分别超声清洗20分钟，氮气吹干备用。
2、空穴传输层的制备：将氧化镍的乙腈前驱体溶液通过喷涂法喷涂于上述FTO导电玻璃上，将涂有氧化镍溶液的FTO基底在500℃下退火60 min，得到氧化镍空穴传输层，厚度为10 nm；
3、钙钛矿层的制备：将甲基碘化铵（MAI）和碘化铅（PbI2）按摩尔比为1:1溶解到DMF和DMSO混合溶剂（1：1，V:V）中，形成钙钛矿前驱体溶液，旋涂到上述步骤的空穴传输层上，而后经100℃退火20 min，形成钙钛矿层，厚度为100～300 nm。
4、离子液体钝化层的制备：将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的乙醇溶液旋涂在上述钙钛矿层上，而后经95℃退火20 min，形成离子液体钝化层，厚度为5 nm。
5、表面活性剂钝化层的制备：将聚山梨酯（吐温）的乙醇溶液旋涂在上述离子液体钝化层上，而后经95℃退火20 min，形成表面活性剂钝化层，厚度为3 nm。
6、电子传输层的制备：将PCBM的氯苯前驱体溶液旋涂在上述表面活性剂钝化层上，而后经90℃退火20 min，形成电子传输层，厚度为25 nm。
7、BCP层的制备：将BCP的甲醇溶液旋涂在上述电子传输层上，而后经80℃退火30min，形成空穴阻挡层，厚度为10 nm。
8、背电极的制备：在空穴阻挡层上真空蒸镀一层金/银/铝电极，厚度为80nm，完成钙钛矿太阳能电池的制备。
实施例2
在实施例1的基础上，将步骤4的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐替换为1-乙烯基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，将步骤5的聚山梨酯（吐温）替换为烷基葡糖苷（APG）。
实施例3
在实施例1的基础上，将步骤4的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐替换为1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，将步骤5的聚山梨酯（吐温）替换为脂肪酸山梨坦（司盘）。
实施例4
在实施例1的基础上，将步骤4的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐替换为1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐，将步骤5的聚山梨酯（吐温）替换为琥珀酸二异辛酯磺酸钠。
实施例5
在实施例1的基础上，将步骤4的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐替换为1-甲基咪唑三氟甲磺酸盐，将步骤5的聚山梨酯（吐温）替换为松香酸钠。
实施例6
在实施例1的基础上，将步骤4的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐替换为甲酸甲胺，将步骤5的聚山梨酯（吐温）替换为烷基醇聚氧乙烯醚。
表1为实施例1～6和对比例1制备的钙钛矿太阳能电池的性能对比。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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结构依次为玻璃基底和FTO透明电极层、空穴传输层、钙钛矿层、离子液体钝化层、表面活性剂钝化层、电子传输层、空穴阻挡层、背电极。
2.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述玻璃基底为经盐酸/锌粉刻蚀过的FTO导电玻璃基底，所述空穴传输层为氧化镍层，所述钙钛矿层结构式为CH3NH3PbI3，所述离子液体钝化层为离子液体薄层，所述表面活性剂钝化层为表面活性剂薄层，所述电子传输层为C60或PCBM层，所述空穴阻挡层为BCP层，所述背电极为银/金/铝电极。
3.一种制备如权利要求1或2任一所述的钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括步骤：
1）制备玻璃基底和FTO透明电极层
将盐酸/锌粉刻蚀的FTO导电玻璃依次经过去离子水、乙醇、丙酮分别超声清洗15～20min，氮气吹干备用；
2）制备空穴传输层
将氧化镍的乙腈前驱体溶液通过喷涂法喷涂于上述FTO导电玻璃上，将涂有氧化镍溶液的FTO基底在400～500℃下退火50～70 min，得到氧化镍空穴传输层，厚度为5～15 nm；
3）制备钙钛矿层
通过旋涂法或涂布法将钙钛矿前驱体溶液涂覆到上述步骤的空穴传输层上，而后经70～150℃退火15～25min，形成钙钛矿层，厚度为100～300 nm；
4）制备离子液体钝化层
通过旋涂或涂布法将离子液体的乙醇、甲醇、异丙醇、正辛醇溶液涂覆在上述钙钛矿层的表面，而后经70～150℃退火15～25min，形成离子液体钝化层，厚度为5～100 nm；
5）制备表面活性剂钝化层
通过旋涂或涂布法将表面活性剂的乙醇、甲醇、异丙醇、正辛醇、DMF、DMSO、γ-丁内酯溶液涂覆在上述离子液体钝化层的表面，再经70～150℃退火15～25min，形成表面活性剂钝化层，厚度为2～50 nm；
6）制备电子传输层
将PCBM的氯苯前驱体溶液旋涂在上述表面活性剂钝化层上，而后经70～150℃退火15～40 min，形成电子传输层，厚度为5～50 nm；
7）制备空穴阻挡层
将BCP的甲醇溶液旋涂在上述电子传输层上，而后经70～150℃退火15～40 min，形成空穴阻挡层，厚度为2～20nm；
8）制备背电极
在空穴阻挡层上真空蒸镀一层金/银/铝电极，厚度为20～100nm，完成钙钛矿太阳能电池的制备。
4.如权利要求3所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于：所述步骤3）中的离子液体钝化层使用的离子液体为醋酸盐、甲酸盐、四氟硼酸盐、三氟甲磺酸盐、六氟磷酸盐。
5.如权利要求4所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于：所述醋酸盐为醋酸甲胺、醋酸丁胺、醋酸戊胺中的一种；所述甲酸盐为甲酸甲胺、甲酸丁胺、甲酸戊胺中的一种；所述四氟硼酸盐为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙烯基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的一种；所述三氟甲磺酸盐为1-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-己基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐中的一种；所述六氟磷酸盐为1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的一种。
6.如权利要求3所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于：所述步骤4）中的退火温度为80～120℃。
7.如权利要求3所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于：所述步骤4）中的离子液体钝化层厚度为5～50 nm。
8.如权利要求3所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于：所述步骤5）中的表面活性剂钝化层使用的表面活性剂为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂。
9.如权利要求7所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于：所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、仲烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸三乙醇胺盐、琥珀酸二异辛酯磺酸钠、松香酸钠中的一种；所述非离子表面活性剂为烷基葡糖苷（APG），脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦（司盘），聚山梨酯（吐温）、烷基醇聚氧乙烯醚、异构十三醇聚氧乙烯醚中的一种。
10.如权利要求3所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于：所述步骤5）中退火温度为80～120℃；所述步骤5）中表面活性剂钝化层厚度为2～20 nm。
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