一种添加剂辅助的钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公布了一种添加剂辅助的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，从下到上依次包括底层基板、底电极层、底层电荷收集层、活性吸光层、顶层电荷收集层和顶电极层；底电极层和顶电极层中至少一侧为透明；活性吸光层为添加剂辅助生长的钙钛矿半导体材料APbX

Additive auxiliary perovskite type solar cell and preparation method thereof

The invention discloses an additive auxiliary perovskite solar cell and a preparation method thereof, from bottom to top and bottom substrate including the bottom charge bottom electrode layer, network layer, active layer, light absorbing layer charge collection layer and the top electrode layer; the bottom electrode layer and a top electrode layer in at least one side of transparent activity; the light absorbing layer for perovskite semiconductor material APbX additive assisted growth

【技术实现步骤摘要】
一种添加剂辅助的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于有机无机杂化钙钛矿电池领域，具体涉及一种添加剂辅助的高效率钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
最近几年，基于有机无机钙钛矿太阳能电池效率得到了飞速发展，尤其是以CH3NH3PbI3为代表的太阳能电池，效率从最初报道的的3.8％快速增长到了20％以上。当前，PbI2作为制备CH3NH3PbI3最常用的铅源，在诸多制备方法中得到了广泛应用。为了实现低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池，在过去几年里相继发展了各种薄膜沉积技术，其中一步或两步溶液法成为关注的重点。相比较而言，一步法比两步法工艺简单，能够与旋涂、狭缝涂布、刮涂、丝网印刷、打印、浸渍、热蒸发、电子束蒸发、化学气相沉积和磁控溅射等多种技术相匹配，具有更为广阔的产业前景。但是，采用传统的铅源例如PbX(X＝I,Cl,Br)，用一步法很难得到平整、致密、均匀的钙钛矿活性层，需要借助额外的工艺手段，复杂化了器件的制备流程，不易于商业化推广。现有利用一步法制备有机无机钙钛矿太阳能电池的方法中，采用乙酸铅三水合物(Pb(Ac)2.3H2O)作为原料制备钙钛矿太阳能电池，可以得到平整、致密、高覆盖率的有机无机杂化钙钛矿活性层，取得了与现有传统两步法相当的器件效率。但是，采用乙酸铅三水合物(Pb(Ac)2.3H2O)作为关键原料制备钙钛矿太阳能电池的方法仍然存在以下几个问题：(一)器件光电转换效率相对较低，仅为14％左右；(二)在不同的正、反向扫描下，器件效率差异较大；(三)器件的稳态输出特性不佳。此外，在使用Pb(Ac)2.3H2O的过程中，同时引入了三合结晶水，而烷基胺离子对水非常敏感，导致最终器件的重复性不好。同时，水本身的沸点比副产物中的乙酸甲基氨高，所需加热温度相对较高且耗时较长，与低温制备有机无机钙钛矿太阳能电池需求不匹配。因此，以Pb(Ac)2.3H2O为原料，用现有一步法制备有机无机钙钛矿太阳能电池存在的不足包括：器件效率低、最大功率点稳态输出不佳、Pb(Ac)2.3H2O结晶水影响器件重复性等。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种高效率钙钛矿太阳能电池及其制备方法，通过在无水乙酸铅的钙钛矿溶液中加入微量添加剂的方法，调控了钙钛矿活性层的薄膜形貌和结晶性，改善了载流子的传输和收集；减小了钙钛矿太阳能电池的正反扫差异，保证了稳态输出，提高了电池效率和重复性。本专利技术提供的技术方案是：一种高效率钙钛矿太阳能电池，该钙钛矿太阳能电池从下到上依次包括底层基板1、底电极层2、底层电荷收集层3、活性吸光层4、顶层电荷收集层5和顶电极层6；底电极层2置于底层基板1的上表面，直接接触无连接层；活性吸光层4在底电极层2之上，中间通过底层电荷收集层(3)连接；顶层电荷收集层(5)和顶电极层6依次置于活性吸光层4的上侧；所述底电极层2和顶电极层6中至少一侧为透明；所述活性吸光层4为添加剂辅助生长的钙钛矿半导体材料APbX3，其中A为烷基胺、烷基脒和碱族元素中至少一种，Pb元素来源于Pb(Ac)2原料，X为碘、溴和氯中至少一种；所述添加剂为盐酸烷基胺(CH3NH3Cl)、溴酸烷基胺(CH3NH3Br)、盐酸烷基脒(NH2CH＝NH2Cl)、溴酸烷基脒(NH2CH＝NH2Br)、碘酸烷基脒(NH2CH＝NH2I)、氯化铅(PbCl2)、溴化铅(PbBr2)、碘化铅(PbI2)、氯化铯(CsCl)、溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)、碳酸铯(Cs2CO3)、氧化铅(PbO)、过氧酸铅(Pb(OAc)2)、氢氧化铅(Pb(OH)2)中的一种或多种。针对上述高效率钙钛矿太阳能电池，进一步地，在保持器件主体结构不变的前提下，可选择性在底电极层2与底层电荷收集层3之间、或底层电荷收集层3与活性吸光层4之间、或活性吸光层4与顶层电荷收集层5之间、或顶层电荷收集层5和顶电极层6之间掺入额外的功能层。例如，可选择性在底层电荷收集层与活性层之间添加缓冲修饰层材料，包括PVK(聚乙烯咔唑)、Poly-TPD(聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺],4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物)、M-Pc(金属酞箐分子材料，M为Zn,Cu,Co,Pb，Ta)、C60(富勒烯)；在顶层电极内侧可选择性添加缓冲修饰层：SnO2(二氧化锡)、TiO2(二氧化钛)、氧化锌(ZnO)、BCP(2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲)、Bphen(4,7-二苯基-1,10-菲罗啉)、钙(Ca)和氧化钼(MoOx,0<x<3)中的一种或多种。针对上述高效率钙钛矿太阳能电池，进一步地，所述的底电极层2和顶电极层6分别为ITO透明电极、FTO透明电极、金属纳米线/氧化物混合透明电极、氧化物/金属/氧化物多级结构透明电极、合金、金属电极和碳材料电极中的一种或多种。针对上述钙钛矿太阳能电池，进一步地，所述底层电荷收集层3和顶层电荷收集层5分别为TiO2(二氧化钛)、氧化锌(ZnO)、PEDOT:PSS(聚3,4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐)、ZnSn2O4(氧化锌锡)、SnO2(二氧化锡)，Poly-TPD(聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺],4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物)、PVK(聚乙烯咔唑)、M-Pc(金属酞箐分子材料，M为Zn,Cu,Co,Pb，Ta)、C60(富勒烯)、石墨烯、氧化镍(NiO)、五氧化二钒(V2O5)、硫氰化铜(CuSCN)、碘化亚铜(CuI)、硫化锌(ZnS)、二硫化钼(MoS2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化钼(MoOx,0<x<3)、富勒烯衍生物(PCBM)、(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)Spiro-OMeTAD、PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])、F4-TCNQ(2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌)等中的一种或多种。本专利技术还提供一种添加剂辅助制备钙钛矿太阳能电池的方法，所述钙钛矿太阳能电池包括底层基板1、底电极层2、底层电荷收集层3、活性吸光层4、顶层电荷收集层5和顶电极层6；所述添加剂辅助制备方法包括如下步骤：A)在基板1上制备底电极层2，在底电极层2上沉积制备底层电荷收集层3；B)通过添加剂辅助生长法，以Pb(Ac)2为铅源，在底层电荷收集层3上沉积制备活性吸光层4，所述活性吸光层4为添加剂辅助生长的有机无机钙钛矿材料，再转入步骤C)；或在包括底电极3、底层电荷收集层4和顶电极层6的基板上沉积钙钛矿活性吸光层，所述活性吸光层4为添加剂辅助生长的有机无机钙钛矿材料，完成电池的制备；其中，包括底电极3、底层电荷收集层4和顶电极层6的基板从下往上依次是底电极、底层电荷收集层、顶电极层，底电极与底层电荷收集层直接连接，顶电极层在底电极的上侧；底层电荷收集层可以经过或不经过顶层电荷收集层5修饰。在基板上沉积活性吸光层，在渗透作用下，最终活性吸光层生长在底层电荷收集层与顶电极层之间；C)对于直接在电荷收集层3上制备活性吸光层4的情况，需进一步依次沉积制备顶层电荷收集层5和顶电极层6，完成钙钛矿太阳能电池器件的制备。针对上述添加剂辅助制备钙钛矿太阳能电池的方法，进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钙钛矿太阳能电池，从下到上依次包括底层基板(1)、底电极层(2)、底层电荷收集层(3)、活性吸光层(4)、顶层电荷收集层(5)和顶电极层(6)；底电极层(2)置于底层基板(1)的上表面，直接接触无连接层；活性吸光层(4)在底电极层(2)之上，中间通过底层电荷收集层(3)连接；顶层电荷收集层(5)和顶电极层(6)依次置于活性吸光层(4)的上侧；所述底电极层(2)和顶电极层(6)中至少一侧为透明；所述活性吸光层(4)为添加剂辅助生长的钙钛矿半导体材料APbX

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿太阳能电池，从下到上依次包括底层基板(1)、底电极层(2)、底层电荷收集层(3)、活性吸光层(4)、顶层电荷收集层(5)和顶电极层(6)；底电极层(2)置于底层基板(1)的上表面，直接接触无连接层；活性吸光层(4)在底电极层(2)之上，中间通过底层电荷收集层(3)连接；顶层电荷收集层(5)和顶电极层(6)依次置于活性吸光层(4)的上侧；所述底电极层(2)和顶电极层(6)中至少一侧为透明；所述活性吸光层(4)为添加剂辅助生长的钙钛矿半导体材料APbX3，其中A为烷基胺、烷基脒和碱族元素中至少一种，Pb元素来源于Pb(Ac)2，X为碘、溴和氯中至少一种；所述添加剂为盐酸烷基胺、溴酸烷基胺、盐酸烷基脒、溴酸烷基脒、碘酸烷基脒、氯化铅、溴化铅、碘化铅、氯化铯、溴化铯、碘化铯、碳酸铯、氧化铅、过氧酸铅、氢氧化铅中的一种或多种。2.如权利要求1所述钙钛矿太阳能电池，其特征是，所述的底电极层(2)和顶电极层(6)分别为ITO透明电极、FTO透明电极、金属纳米线/氧化物混合透明电极、氧化物/金属/氧化物多级结构透明电极、合金、金属电极和碳材料电极中的一种或多种。3.如权利要求1所述钙钛矿太阳能电池，其特征是，所述底层电荷收集层(3)和顶层电荷收集层(5)分别为二氧化钛、氧化锌、聚3,4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐、氧化锌锡、二氧化锡、聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺、4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物、聚乙烯咔唑、金属酞箐分子材料、富勒烯、石墨烯、氧化镍、五氧化二钒、硫氰化铜、碘化亚铜、硫化锌、二硫化钼、氧化铬、氧化钼、富勒烯衍生物、2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]、2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌中的一种或多种。4.一种添加剂辅助制备钙钛矿太阳能电池的方法，所述钙钛矿太阳能电池包括底层基板(1)、底电极层(2)、底层电荷收集层(3)、活性吸光层(4)、顶层电荷收集层(5)和顶电极层(6)；所述添加剂辅助制备方法包括如下步骤：A)在基板(1)上制备底电极层(2)，在底电极层(2)上沉积制备底层电荷收集层(3)；B)通过添加剂辅助生长法，以Pb(Ac)2为铅源，在底层电荷收集层3上沉积制备活性吸光层4，所述活性吸光层4为添加剂辅助生长的有机无机钙钛矿材料，再转入步骤C)；或在包括底电极3、底层电荷收集层4和顶电极层6的基板上沉积钙钛矿活性吸光层，所述活性吸光层4为添加剂辅助生长的有机无机钙钛矿材料，从而完成电池的制备；C)在活性吸光层(4)的表面，依次沉积制备顶层电荷收集层(5)和顶电极层(6)，完成钙钛矿太阳能电池器件的制备。5.如权利要求4所述添加剂辅助制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征是...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱瑞，罗德映，赵丽宸，胡芹，刘易，龚旗煌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11