鈣鈦礦太陽能電池及其制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鈣鈦礦太陽能電池(PSC，Perovskite Solar Cells)及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，鈣鈦礦太陽能電池作為一類新興的太陽能電池得到快速發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過20%。鈣鈦礦太陽能電池主要是利用類似ABX3 (A=CH3NH/等；B=Pb 2+，Sn2+等；X=C1，Br，1等)具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的光伏材料來實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，具有原材料來源廣泛、制作工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低、可制備成柔性電池等優(yōu)點(diǎn)。鈣鈦礦太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)包括襯底、透明電極、電子傳輸材料、I丐鈦礦材料吸光層、空穴傳輸材料和金屬電極。I丐鈦礦太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換成電能可以分為三個(gè)主要過程:(1) 一定能量的光子被吸光層吸收并產(chǎn)生電子空穴對(duì)；(2)電子空穴對(duì)擴(kuò)散至吸光材料的界面處時(shí)發(fā)生電荷分離；(3)電子沿電子傳輸材料經(jīng)電極進(jìn)入外電路，空穴沿空穴傳輸材料經(jīng)電極進(jìn)入外電路，通過負(fù)載完成光能向電能的轉(zhuǎn)換。
[0003]目前，要制備高轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽能電池，主流的制備工藝是采用共蒸發(fā)制備吸光層，該制備工藝操作復(fù)雜、成本高、生產(chǎn)效率低。在電子傳輸層制備工藝中，存在需制備介孔狀氧化鈦層(1102作為電子傳輸層)或合成納米顆粒狀氧化鋅(ZnO)等問題，介孔狀T1Jl需進(jìn)行高溫(450°C以上)燒結(jié)處理環(huán)節(jié)，而合成的納米顆粒狀ZnO溶液不能長(zhǎng)期存放。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可低溫下進(jìn)行、簡(jiǎn)化工藝流程、降低成本、提高電池制備效率、實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝以及該工藝制備的鈣鈦礦太陽能電池。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種鈣鈦礦太陽能電池，包括依次層疊的襯底、透明電極、空穴傳輸層、吸光層、電子傳輸層和頂電極，所述空穴傳輸層是由空穴傳輸材料構(gòu)成，所述電子傳輸層是由電子傳輸材料構(gòu)成，所述吸光層是由具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的光伏材料構(gòu)成，所述空穴傳輸層、吸光層和電子傳輸層均采用溶液法于150°C以下(即< 150°C，優(yōu)選60°C?150°C )的低溫制備得到。
[0006]上述的I丐鈦礦太陽能電池中，優(yōu)選的，所述空穴傳輸層的厚度為5nm?60nm ;所述吸光層的厚度為10nm?500nm ;所述電子傳輸層的厚度為1nm?10nm ;所述頂電極的厚度為 20nm ?lOOnm。
[0007]上述的鈣鈦礦太陽能電池中，優(yōu)選的，所述空穴傳輸材料為有機(jī)材料和/或無機(jī)材料，所述有機(jī)材料包括PEDOT: PSS或Spiro-MeOTAD，所述無機(jī)材料包括N1x、MoOxSV2O5;所述具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的光伏材料為ABX 3型晶體結(jié)構(gòu)的有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦；所述電子傳輸材料為富勒烯衍生物，所述富勒烯衍生物為PCBM。
[0008]上述的鈣鈦礦太陽能電池中，優(yōu)選的，所述襯底的構(gòu)成材料包括玻璃或柔性塑料；所述透明電極的構(gòu)成材料包括銦錫氧化物或氟錫氧化物；所述頂電極的構(gòu)成材料為金屬材料，所述金屬材料包括金、銀、銅或招。
[0009]作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝，包括在所述襯底上依次制備透明電極、空穴傳輸層、吸光層、電子傳輸層和頂電極，所述空穴傳輸層、吸光層和電子傳輸層均采用溶液法于150°C以下(即< 150°C，優(yōu)選60°C?150°C)的低溫制備得到。
[0010]上述的鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝中，優(yōu)選的，所述空穴傳輸層的制備過程為:在所述透明電極上涂布用于制備空穴傳輸材料的溶液，然后在100°C?150°C的溫度下進(jìn)行加熱，得到空穴傳輸層；
所述吸光層的制備過程為:先在所述空穴傳輸層上涂布鹵化鉛溶液，于70°C?120°C烘干，然后置于CH3NH3I溶液中浸泡，當(dāng)襯底顏色變?yōu)樽睾谏珪r(shí)，取出并清洗，再于60°C?120°C下進(jìn)行加熱，得到吸光層；
所述電子傳輸層的制備過程為:在所述吸光層上涂布用于制備電子傳輸材料的溶液，然后在60°C?120°C的溫度下進(jìn)行加熱，得到電子傳輸層。
[0011 ] 上述的鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝中，優(yōu)選的，所述空穴傳輸層的制備過程中，加熱時(shí)間為5min?30min ;所述吸光層的制備過程中，加熱時(shí)間為5min?20min ;所述電子傳輸層的制備過程中，加熱時(shí)間為5min?20min ;所述空穴傳輸層、吸光層和電子傳輸層的制備過程均在空氣環(huán)境下進(jìn)行。
[0012]上述的鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝中，優(yōu)選的，所述空穴傳輸材料為PEDOT: PSS時(shí)，所述用于制備空穴傳輸材料的溶液為PEDOT: PSS的水溶液，溶液中PEDOT: PSS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%?5% ;所述空穴傳輸材料為Spiro-MeOTAD時(shí)，所述用于制備空穴傳輸材料的溶液為Spiro-MeOTAD的氯苯/乙腈溶液，溶液中Spiro-MeOTAD的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%?50% ;所述空穴傳輸材料為N1Jt，所述用于制備空穴傳輸材料的溶液為四水醋酸鎳的乙醇/乙醇胺溶液(溶劑中每升乙醇添加0.1摩爾乙醇胺)，溶液中醋酸鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?40%。
[0013]上述的鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝中，優(yōu)選的，所述吸光層的制備過程中:所述鹵化鉛溶液為PbI2溶液時(shí)，所述PbI 2溶液的濃度為lmol/L?5mol/L，溶劑為N，N- 二甲基甲酰胺；所述CH3NH3I溶液的濃度為10mg/mL?20mg/mL，溶劑為異丙醇；所述浸泡的時(shí)間為30s ?60so
[0014]上述的鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝中，優(yōu)選的，所述電子傳輸材料為PCBM時(shí)，所述用于制備電子傳輸材料的溶液為PCBM的氯苯溶液，溶液中PCBM的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%?
5% ο
[0015]本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池中，襯底材料優(yōu)選玻璃、柔性塑料(PEN，PET )等透明材料。透明電極的材料優(yōu)選銦錫氧化物(ITO，Indium Tin Oxide)、氟錫氧化物(FTO，F(xiàn)luorineDoped Tin Oxide)等透明電極材料。常采用ITO導(dǎo)電玻璃、FTO導(dǎo)電玻璃或帶ITO的PEN塑料薄膜作為襯底和透明電極，其方塊電阻是10?50 Ω / 口，透過率在80%?90%。
[0016]本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池中，空穴傳輸材料一般為具有較高空穴迀移率的材料，空穴傳輸層主要是將空穴傳輸至頂電極。
[0017]本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池中，吸光層采用具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的材料制備，其作用是吸收入射光。單純的吸光層由鈣鈦礦材料的晶粒構(gòu)成，鈣鈦礦材料主要有類似ABX3(A=CH3NH3, ；B=Pb 2+，Sn2+等；X=C1，Br，I等)型晶體結(jié)構(gòu)的有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦。
[0018]本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池中，電子傳輸層主要起到傳輸電子的作用，同時(shí)防止電極與吸光層直接接觸。電子傳輸材料采用的PCBM主要為PCmBM或PC7(]BM。
[0019]本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池中，頂電極可以采用真空鍍膜、等離子體噴涂、濺射、噴墨打印以及溶液成膜等方法制作。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池是采用溶液法低溫制備得到，可批量生產(chǎn)。目前鈣鈦礦電池的主流制備工藝是采用共蒸發(fā)法制備吸光層，該制備工藝操作復(fù)雜、成本高、生產(chǎn)效率低，同時(shí)電子傳輸層通常采用需高溫(450°C)燒結(jié)處理的介孔狀T1Jl，或更為復(fù)雜的等離子體化學(xué)氣相沉積方法。本發(fā)明的制備工藝中，空穴傳輸層、鈣鈦礦材料吸光層和電子傳輸層均可在低溫的空氣環(huán)境下通過溶液法制備，避免了采用共蒸發(fā)法制備吸光層，有利于簡(jiǎn)化工藝流程，降低成本，提高電池的制備效率，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中在暗態(tài)和AMl.5光照下鈣鈦礦太陽能電池的伏安特性曲線，其中:空心圓點(diǎn)曲線為電池的暗態(tài)伏安特性曲線，實(shí)心圓點(diǎn)曲線為AMl.5光照伏安特性曲線。
[0023]圖例說明:
1、襯底；2、透明電極；3、空穴傳輸層；4、吸光層；5、電子傳輸層；6、頂電極。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0025]以下實(shí)施例中所采用的材料和儀器均為市售。
[0026]實(shí)施例1:
一種本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池，如圖1所示(由上至下觀察)，包括依次層疊的襯底1、透明電極2、空穴傳輸層3、吸光層4、電子傳輸層5和頂電極6，吸光層4是由具有I丐鈦礦結(jié)構(gòu)的光伏材料構(gòu)成，空穴傳輸層3是由空穴傳輸材料構(gòu)成，電子傳輸層5是由電子傳輸材料構(gòu)成。
[0027]本實(shí)施例中，襯底I采用玻璃襯底，厚度為1.1mm ;透明電極2采用透明ITO電極，厚度為80nm ;空穴傳輸層3采用PEDOT: PSS材料，厚度為40nm ;吸光層4采用CH3NH3PbI3鈣鈦礦材料，厚度為350nm ;電子傳輸層5采用PC6qBM材料，厚度為1nm ;頂電極6采用鋁電極，厚度為lOOnm。
[0028]—種上述本實(shí)施例的鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝，包括以下步驟:
Cl)選擇方阻為15 Ω/ □、透過率為85%的ITO玻璃作為帶有ITO透明電極的玻璃襯底，透明電極2為正極； (2)采用溶液旋涂的方法在ITO玻璃上涂布質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PEDOT: PSS水溶液(PEDOT: PSS水溶液為德國(guó)拜爾的clev1s p型產(chǎn)品)，在加熱臺(tái)上150°C低溫處理30min，得到厚度為40nm的PEDOT: PSS致密薄膜作為空穴傳輸層3 ;
(3)在空穴傳輸層3表面旋涂PbI2溶液，PbI2溶液的濃度為lmol/L，溶劑為N，N- 二甲基甲酰