超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制造方法技术

本发明专利技术为一种超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制造方法，采用四氯化钛水溶液制作电子传输层。四氯化钛水溶液中四氯化钛物质的量浓度为0.01‑0.7mol/L。采用四氯化钛水溶液制成二氧化钛的超薄电子传输层，形成高粗糙度以及良好的单色光光电转换效率，从而形成具有更高光电转换效率的钙钛矿太阳能电池。本发明专利技术超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法更加简单快捷，同时维持了较高的光电转换效率，制作成本更低，有效减少制作周期。

Method for manufacturing perovskite solar cell with ultrathin electron transport layer structure

The invention relates to a method for manufacturing a perovskite solar cell with an ultra-thin electron transport layer structure, which uses an aqueous solution of four titanium chloride to make an electron transport layer. The concentration of four titanium chloride material four titanium chloride in aqueous solution was 0.01 0.7mol/L. The ultra-thin electronic transmission layer made of titanium dioxide by four titanium chloride aqueous solution, high roughness and excellent monochromatic light conversion efficiency, thus forming a perovskite solar cell has higher photoelectric conversion efficiency. The preparation method of the perovskite solar cell with the ultrathin electron transport layer structure is simpler and faster, and meanwhile, the photoelectric conversion efficiency is maintained, the manufacturing cost is lower, and the manufacturing cycle is effectively reduced.

【技术实现步骤摘要】
超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制造方法
本专利技术涉及钙钛矿太阳能电池的制造方法，特别是一种超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制造方法。
技术介绍
人类对低成本、高转换效率光伏器件的探索从未止步。2009年，钙钛矿太阳能电池首次被提出。2012年8月以后，人们对该电池的研究取得了一系列的重大突破，国际学术界对此高度重视。目前，钙钛矿太阳能电池已然成为当今光伏领域内最重要的研究热点之一。短短的五六年间，该电池的效率已从当初的3.8%提升到现在的20%+。可见钙钛矿电池的发展前景。作为直接带隙半导体，CH3NH3PbX3对能量大于禁带宽度的光子表现出强烈的光吸收。其吸收系数甚至比肩非晶硅，厚度为300nm左右的钙钛矿材料便能吸收几乎所有的可见光。CH3NH3PbX3的光吸收和光致发光性能与金属卤化物的成分密切相关。通过元素取代，可以获得不同的光学性能。以光学带隙为2.3eV的CH3NH3PbBr3为例，用I元素取代Br元素，可以使材料光学带隙变小，荧光波长红移；以Cl元素取代Br元素，则可使光学带隙变大，荧光波长蓝移。目前，人们已经实现了对CH3NH3PbX3光学带隙及荧光波长的连续调控。CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3的相对介电常数分别为4.8和6.5，激子束缚能分别只有50meV和76meV。这使得材料中的激子为Wannier-Mott型，其意味着在室温下，光生电子-空穴对在材料内部便能实现分离。在用溶液法制备的CH3NH3PbI3中，电子和空穴的迁移率达到10cm2/(V·s)，在尺寸20μm的大晶粒中甚至高达66cm2/(V·s)。且CH3NH3PbI3中的体缺陷态密度只有5×1016/cm3左右，远低于溶液法生长的有机薄膜的1019/cm3量级。得益于低的复合速率，高的载流子迁移率，电子和空穴在CH3NH3PbI3中的扩散长度大于100nm，在CH3NH3PbI3–xClx中更是高达1μm，高出材料的吸收长度近一个数量级。CH3NH3PbI3的禁带宽度与AM1.5光照下的最佳带隙值1.4eV最为接近。然而相比Br和Cl，含I的钙钛矿材料在水蒸气氛围下更容易分解。通过Br或Cl元素的部分取代可以大大缓解这一现象。钙钛矿太阳能电池目前主要有多种结构：多孔二氧化钛的介观电池，无多孔二氧化钛的平面电池，含多孔绝缘氧化物(三氧化二铝，氧化锆)的超结构介观电池，倒置结构的电池等。对于无多孔二氧化钛的平面电池，即只含一层致密层，其材料一般是二氧化钛。而二氧化钛由于其高温烧结的工艺能耗严重。从而使得电池的成本的增加。而二氧化钛高温烧结的本质则是由于其结晶后电导率增加，从而适用于太阳能电池。但是如果能设法降低二氧化钛层的厚度，从而保留其吸引电子而不是传输电子的能力，不失为一种有效的方法。并且这种超薄的二氧化钛层并未形成一种致密的电子传输层，从一定程度上简化了电池结构。中国专利201510127861.0公布了一种钙钛矿型太阳能电池，该电池采用多孔结构的电子修饰层，使用多孔结构电子修饰层制作的电池虽然光电转换效率较高，但是在合成过程中需要较长时间，同时工艺复杂，耗损较高，不易形成工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种制作方法更加合理简单，具有更少制作周期的超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制造方法，该方法制成的超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率更高。本专利技术的导电玻璃层为玻璃基质的FTO。本专利技术解决上述问题所采用的技术方案是：一种超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：将导电玻璃层浸润于四氯化钛水溶液，然后用去离子水冲洗导电玻璃，最后将导电玻璃放在加热板上150度烘干30min，至此导电玻璃层上形成电子传输层，导电玻璃层处理完成；将CH3NH3I和PbCl2以摩尔比5:1-1:1溶解于N,N-二甲基甲酰胺中形成钙钛矿溶液，使用匀胶机将钙钛矿溶液沉积在处理完成的导电玻璃层上，控制温度在70℃-150℃，使得钙钛矿溶液结晶成为甲胺铅碘多晶膜；将空穴传输材料的氯苯溶液均匀的旋涂在甲胺铅碘多晶膜上形成空穴传输材料层；使用蒸镀方法，空穴传输材料层上蒸镀蒸镀银电极层；所述四氯化钛水溶液中四氯化钛物质的量浓度为0.01-0.7mol/L,所述导电玻璃层在四氯化钛水溶液中浸润时间为0.5-10小时。过低的四氯化钛物质的量浓度影响二氧化钛的结晶效率，同时不易形成适当厚度的电子传输层，无法保证形成光子在电池内部的散射，同时不利于载流子的传输。过大的四氯化钛物质的量浓度影响容易形成过厚的电子传输层，增加了额载流子的传输距离，降低了电子迁移率。过少的浸润时间影响二氧化钛的结晶效率，同时不易形成适当厚度的电子传输层，无法保证形成光子在电池内部的散射，同时不利于载流子的传输。过长的浸润时间容易形成过厚的电子传输层，增加了额载流子的传输距离，降低了电子迁移率。本专利技术采用四氯化钛水溶液处理FTO表面形成电子传输层，该方法简单，同时相比没有电子传输层的钙钛矿太阳能电池光电转换效率有了明显的提升，同时相比采用多孔结构电子传输层的钙钛矿太阳能电池光电转换效率相差不多，但是其制作成本和工艺复杂程度能够大幅得到降低。电子传输层的厚度为3-100纳米，甲胺铅碘多晶膜的厚度为200纳米-1.5微米，空穴传输材料层的厚度为50-500纳米，蒸镀银电极层的厚度为50-200纳米。本专利技术所述空穴传输材料材料为spiro-OMeTAD，其合成步骤如下：将spiro-OMeTAD和四丁基吡啶（tBP）和双三氟甲烷磺酰亚胺锂(Li-TFSI）加入至氯苯中形成氯苯溶液，上述氯苯溶液中四丁基吡啶（tBP）的物质的量浓度为spiro-OMeTAD的物质的量浓度的80%，双三氟甲烷磺酰亚胺锂(Li-TFSI）的物质的量浓度为spiro-OMeTAD的物质的量浓度的30%。本专利技术所述氯苯溶液中spiro-OMeTAD物质的量浓度为0.5-1.5mol/L。该材料与钙钛矿材料能级匹配较好，同时考虑到钙钛矿稳定性，spiro-OMeTAD的溶解性与甲胺铅碘多晶膜的溶解性匹配更好。过低的浓度不易形成稳定且具有高效载流子的迁移效率，过高的浓度容易形成过高的电阻。本专利技术所述导电玻璃层和电子传输层组成的整体在可见光波长范围内光透射率在80%-85%。相比没有电子传输层的钙钛矿太阳能电池，超薄二氧化钛的电子传输层降低了光透射率，尤其在可见光的波长范围内。这一结构特征有效说明了整个超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池对光子的利用率有了有效明显的提升。本专利技术所述导电玻璃层和电子传输层组成的整体的粗糙度在11-13纳米。较大的粗糙度能够有利于电子产生陷光效应，有利于光电转换效率的提升，同时较高的粗糙度标明了更高的比表面积，能够更加有利于电子空穴对的传输。本专利技术所述导电玻璃层和电子传输层组成的整体单色光转化率在40%-80%。单色光光电转换效率对钙钛矿太阳能电池的光电转换效率有很大影响，超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池具有较高的单色光光电转换效率，说明该结构下的超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池相比未有电子传输层的钙钛矿太阳能电池具有更高的光电转换效率。相比现有技术，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

【技术特征摘要】
1.超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：将导电玻璃层浸润于四氯化钛水溶液，然后用去离子水冲洗导电玻璃，最后将导电玻璃放在加热板上150度烘干30min，至此导电玻璃层上形成电子传输层，导电玻璃层处理完成；将CH3NH3I和PbCl2以摩尔比5:1-1:1溶解于N,N-二甲基甲酰胺中形成钙钛矿溶液，使用匀胶机将钙钛矿溶液沉积在处理完成的导电玻璃层上，控制温度在70℃-150℃，使得钙钛矿溶液结晶成为甲胺铅碘多晶膜；将空穴传输材料的氯苯溶液均匀的旋涂在甲胺铅碘多晶膜上形成空穴传输材料层；使用蒸镀方法，空穴传输材料层上蒸镀蒸镀银电极层；所述四氯化钛水溶液中四氯化钛物质的量浓度为0.01-0.7mol/L,所述导电玻璃层在四氯化钛水溶液中浸润时间为0.5-10小时。2.根据权利要求1所述的所述的超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述空穴传输材料材料为spiro-OMeTAD，其合成步骤如下：将spiro-OMeTAD和...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄孝坤，诸跃进，张英，周康，庄学恒，蔡畅，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33