一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，通过在前驱液中添加适量的聚乙烯醇（PVA）改善了钙钛矿层的薄膜形貌，增加了光致载流子的寿命，有效的提高了电池的光电转换效率。由于PVA的吸水性能，适量的添加也大幅度提高了材料的湿度稳定性，使钙钛矿电池能在高湿度环境下的保持长时间的稳定效率的输出。同时使用的这类水溶性高分子等材料成本低廉，有利于电池的大面积使用。

Perovskite solar cell and preparation method thereof

The invention relates to a perovskite solar cell and a preparation method by adding polyvinyl alcohol in the precursor solution (PVA) improved the film morphology of perovskite layer, increase the photoinduced carrier lifetime, effectively improve the photoelectric conversion efficiency of the battery. Due to the water absorption performance of PVA, a proper amount of addition can greatly improve the moisture stability of the material, so that the perovskite cell can maintain a stable and efficient output in a high humidity environment. At the same time, the water soluble polymers and other materials are low in cost and favorable for the wide use of the batteries.

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及太阳能电池
，特别涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
能源的供给以及环境影响成为了21世纪以来人类所面临的最大的挑战之一，可再生资源的有效利用是能源可持续发展的必由之路。随着太阳能电池价格的下降，越来越多的研究者跻身光伏行列。有机、无机、杂化钙钛矿材料在光电材料、激光、发光器件以及光电探测器等领域显示出优秀的性能引起了国内外的广泛关注与深入研究。其优点十分突出：1.优异的光吸收性能；2.载流子扩散长度长；3.载流子寿命长；4.激子结合能小。钙钛矿太阳能电池是一种使用钙钛矿类材料作为光吸收层的新型有机无机杂化的光伏体系，相比与其它种类的太阳能电池其光电转化效率高，制备工艺简单易行，原材料丰富，商业化前景好而且其效率在6年中，光转化效率已经从一开始的3.8%涨到了22.%。制备好的钙钛矿薄膜的结晶度高、缺陷少，同时又具有其本身的特性，有望成为下一代的商用太阳能电池。现有的钙钛矿太阳能电池由于采用了TiO2致密层，导致了其与钙钛矿之间存在着大量的缺陷不利于完整晶粒的形成，同时由于钙钛矿材料在大气环境下容易遇水分解成PbI2和CH3NH3I导致了器件的不稳定，因此钙钛矿电池的制备都是在手套箱中制备，而且对水含量有着严格的要求，严重限制了钙钛矿电池在空气中的正常使用，从而限制了该类太阳能电池的商业化应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术中钙钛矿电池在商业化应用中较难实现的技术问题，提供一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种钙钛矿太阳能电池，包括导电玻璃基底、电子传输层、钙钛矿光吸收层，空穴传输层和金属电极，从所述导电玻璃基底开始由下往上依次设置为所述电子传输层、钙钛矿光吸收层，空穴传输层和金属电极，所述电子传输层为TiO2层，所述钙钛矿光吸收层的材料为添加有聚乙烯醇的钙钛矿材料。作为本专利技术的一个优选的实施例，所述导电玻璃基底为FTO导电玻璃，所述空穴传输层为spiro-OMeTAD，所述金属电极为Au。根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：（1）用洗衣粉、水、丙酮、乙醇对导电玻璃基底超声清洗后，用氮气吹干，并进行10min氧等离子处理；（2）采用Ticl4水溶液浸泡的方法制备电子传输层，并在70℃下恒温1h，再用水和乙醇依次清洗并用氮气吹干，再将其放入100℃烘箱中保温1h；（3）采用一步旋涂法将钙钛矿前驱液旋涂至电子传输层上，然后在100℃下退火5min，得到钙钛矿光吸收层；（4）采用旋涂法将空穴传输层溶液旋涂在所述钙钛矿光吸收层上，得到空穴传输层；（5）采用真空蒸镀法将金属电极蒸镀在所述空穴传输层上，最终得到钙钛矿太阳能电池。作为本专利技术的一个优选的实施例，步骤（2）中所述Ticl4水溶液即为有机钛前驱体溶液，其制备过程为：将2.3ml的Ticl4溶于100ml的水中并搅拌均匀后既得。作为本专利技术的一个优选的实施例，所述100ml的水由40ml冰和60ml水构成。作为本专利技术的一个优选的实施例，步骤（3）中所述钙钛矿前驱液的浓度为1.2molL-1；添加的PVA的量为0mgmL-1、2mgmL-1、3mgmL-1、5mgmL-1；溶剂为N，N-二甲基甲酰胺：二甲基亚砜=4：6；溶液配置方法：预先将要加入的PVA溶解在70℃的混合溶剂中，待其自然降温到室温后加入0.191g的CH3NH3I和0.553g的PbI2；旋涂工艺为低速1000r旋涂20s，高速6000r旋涂55s，其中，当高速旋涂25s后，500µL的氯苯需快速的滴加在基片上。作为本专利技术的一个优选的实施例，步骤（3）中所述钙钛矿光吸收层的厚度为450nm。作为本专利技术的一个优选的实施例，步骤（4）中所述空穴传输层溶液的配置过程为：将72.3mg的spiro-OMeTAD、28.8µL的4-一叔丁基吡啶、17.5µL的浓度为520mgmL-1的双三氟甲烷磺酞亚胺锂乙睛溶液溶于1mL的氯苯溶液中搅拌4h；所述旋涂工艺为：高速5000r旋涂30s。作为本专利技术的一个优选的实施例，步骤（5）中所述金属电极为Au，所述蒸镀条件为：气压为1.0-5Pa，蒸镀速率为0.1am/s，所述金属电极厚度为80nm；所述钙钛矿太阳能电池的面积为0.07cm2。本专利技术的钙钛矿太阳能电池及其制备方法的有益效果是，1.本专利技术在制备钙钛矿吸光层过程中，采用预溶解先让PVA溶解后再配制钙钛矿溶液，当旋涂成膜退火过程后，钙钛矿晶粒团聚的体积变得更大，原来分散的较小的晶粒变得更加紧密连成一片，有效的减少了薄膜的空隙，改善了薄膜的形貌，同时薄膜的紫外吸收变强，从而提高了器件的光电转换效率；2.本专利技术在制备成的器件在相对湿度为85-85%的环境下放置一个月后最高仍然保持了95%以上的效率，为钙钛矿太阳能电池的能够在高湿度环境下应用提供了基础；本专利技术采用的钙钛矿太阳能电池制备方法简单，效率高，成本低，稳定性好，有利于实现在湿度高的区域的工业化大生产，且得到的太阳能电池的性能有较大提高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：图1为本专利技术中的一种钙钛矿太阳能电池的结构示意图；图2为本专利技术中的一种钙钛矿太阳能电池的钙钛矿光吸收层的形貌图；图3为本专利技术中的一种钙钛矿太阳能电池的钙钛矿光吸收层的截面形貌图；图4为本专利技术中的一种钙钛矿太阳能电池与未改性电池在标准测试条件下的J-V曲线对比图；图5为本专利技术中的一种钙钛矿太阳能电池与未改性电池稳定性效率对比图；图6为本专利技术中的一种钙钛矿太阳能电池的钙钛矿薄膜与未改性钙钛矿薄膜变化对比图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。本专利技术所述的一种钙钛矿太阳能电池，包括：基底、电极材料和凝胶状电解质。为了便于理解，现结合实施例介绍：此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本专利技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。请参阅图1，图1为本专利技术中的一种钙钛矿太阳能电池的结构示意图。如图1所示，本专利技术提供的钙钛矿太阳能电池，包括导电玻璃基底101、电子传输层102、钙钛矿光吸收层103，空穴传输层104和金属电极105，从所述导电玻璃基底101开始由下往上依次设置为所述电子传输层102、钙钛矿光吸收层103，空穴传输层104和金属电极105，所述电子传输层102为TiO2层，所述钙钛矿光吸收层103的材料为添加有聚乙烯醇的钙钛矿材料，其中，钙钛矿光吸收层103可以为添加不同量PVA的CH3NH3PbI3层，所述导电玻璃基底101为FTO导电玻璃，所述空穴传输层104为spiro-OMeTAD，所述金属电极105为Au。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钙钛矿太阳能电池，包括导电玻璃基底、电子传输层、钙钛矿光吸收层，空穴传输层和金属电极，从所述导电玻璃基底开始由下往上依次设置为所述电子传输层、钙钛矿光吸收层，空穴传输层和金属电极，其特征在于：所述电子传输层为TiO

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿太阳能电池，包括导电玻璃基底、电子传输层、钙钛矿光吸收层，空穴传输层和金属电极，从所述导电玻璃基底开始由下往上依次设置为所述电子传输层、钙钛矿光吸收层，空穴传输层和金属电极，其特征在于：所述电子传输层为TiO2层，所述钙钛矿光吸收层的材料为添加有聚乙烯醇的钙钛矿材料。2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述导电玻璃基底为FTO导电玻璃，所述空穴传输层为spiro-OMeTAD，所述金属电极为Au。3.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：（1）用洗衣粉、水、丙酮、乙醇对导电玻璃基底超声清洗后，用氮气吹干，并进行10min氧等离子处理；（2）采用Ticl4水溶液浸泡的方法制备电子传输层，并在70℃下恒温1h，再用水和乙醇依次清洗并用氮气吹干，再将其放入100℃烘箱中保温1h；（3）采用一步旋涂法将钙钛矿前驱液旋涂至电子传输层上，然后在100℃下退火5min，得到钙钛矿光吸收层；（4）采用旋涂法将空穴传输层溶液旋涂在所述钙钛矿光吸收层上，得到空穴传输层；（5）采用真空蒸镀法将金属电极蒸镀在所述空穴传输层上，最终得到钙钛矿太阳能电池。4.根据权利要求3所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述Ticl4水溶液即为有机钛前驱体溶液，其制备过程为：将2.3ml的Ticl4溶于100ml的水中并搅拌均匀后既得。5.根据权利要求4所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁建宁，袁宁一，孙越，俞强，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32