基于氧化镓保护层的倒置梯度体异质结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基于氧化镓保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法。所述的钙钛矿电池是由透明导电衬底、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层和金属电极组成的。使用工艺简单、低温沉积的原子层沉底法制备高质量的氧化镓薄膜作为电子传输层与金属电极之间缓冲层，有效改善器件的光伏性能，并且其无机疏水的特性可作为保护层，有效隔绝外界环境对电池的侵蚀，提升器件的稳定性。本发明专利技术还使用非富勒烯材料IDIC溶解到绿色环保溶剂乙酸乙酯中，制备出梯度异质结钙钛矿薄膜，有效钝化钙钛矿的缺陷，提升器件性能，减轻薄膜制备的毒性环境。

【技术实现步骤摘要】
基于氧化镓保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及一种基于氧化镓(Ga2O3)保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于光电子材料与器件领域。
技术介绍
近年来，能源危机与环境污染问题愈发紧迫，发展清洁可持续的能源对人类社会的发展愈发重要，太阳能作为一种可持续的清洁能源，可以直接转化为电能，为人类提供源源不断的能源，具有很大的应用前景。钙钛矿太阳能电池近年来发展迅速，转化效率已经可以和硅基的太阳能电池相当。有机无机杂化钙钛矿材料具有高吸光系数、高的载流子迁移率、较低的激子结合能、较长的载流子寿命，以及带隙可控、可溶液法制备等特点，在激光、发光二极管、光电探测器、单层及叠层太阳能电池领域都展现出巨大的发展潜力。目前有文献报道的钙钛矿太阳能电池最高效率是由SangIlSeok课题组关于碘离子掺杂钙钛矿材料太阳能电池的研究，取得了22.1％的效率。(Iodidemanagementinformamidinium-lead-halide–basedperovskitelayersforefficientsolarcells.Yangetal.,Science356,1376–1379，2017)。然而，对于钙钛矿太阳能电池，其较差的稳定性(包括光稳定性，湿度稳定性，热稳定性以及长期稳定性等)成为其走向工业化实际应用的阻碍。在倒置结构的电池中，银电极特别容易渗透到钙钛矿层中并发生化学反应造成严重的漏电，使器件性能快速下降。由于缺少无机稳定性材料的保护，外界的水汽、氧气等很容易与钙钛矿直接反应，使钙钛矿材料分解。此外，在制备钙钛矿薄膜的过程中，一步反溶剂的方法经常使用甲苯和氯苯等剧毒溶剂，造成了具有毒性的制备环境。该方法制备出的钙钛矿薄膜仍然存在很多的缺陷，影响薄膜的质量，进而影响到器件的性能和稳定性。Ga2O3作为一种重要的n型宽带隙半导体材料，带隙宽度约为5eV，价带位置在-7.95eV，在染料敏化太阳能电池，晶体硅太阳能电池中多有应用(SubnanometerGa2O3TunnellingLayerbyAtomicLayerDepositiontoAchieve1.1VOpen-CircuitPotentialinDye-SensitizedSolarCells.MichaelGratzeletal.,NanoLett.2012,12,3941-3947；EffectofthethinGa2O3layerinn+-ZnO/n-Ga2O3/p-Cu2Oheterojunctionsolarcells，ToshihiroMiyataetal，ThinSolidFilms549(2013)65–69；Electronicpassivationofsiliconsurfacesbythinfilmsofatomiclayerdepositedgalliumoxide，APPLIEDPHYSICSLETTERS105,031601(2014))为解决倒置钙钛矿稳定性差的问题，本专利技术首次在倒置钙钛矿太阳能电池中引入无机宽带隙邃穿材料Ga2O3作为保护缓冲层，改善器件的稳定性，减少了Ag电极材料的扩散和漏电情况。同时，本专利技术使用绿色环保的乙酸乙酯作为反溶剂，溶解适量的IDIC制备梯度异质结钙钛矿薄膜，来钝化钙钛矿中的缺陷，改善薄膜的质量。
技术实现思路
本专利技术针对现有的钙钛矿太阳能电池稳定性不高，以及制备过程需要毒性溶剂，和钙钛矿薄膜存在缺陷的问题，提供了基于无机宽带隙隧穿材料Ga2O3作为保护缓冲层，使用绿色无毒的乙酸乙酯作为反溶剂，溶解适量的基于缩合二噻吩的环状电子受体IDIC(缩二氨基苯乙二烯-二氨基乙二烯-3-丁二烯-3-茚酮)的梯度异质结钙钛矿薄膜的有一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本专利技术所提供的技术方案具体如下：一种基于Ga2O3保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池，包括透明导电衬底以及自下而上依次层叠的空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层，电子传输保护层以及金属电极，所述钙钛矿吸光层含有IDIC受体材料和/或采用Ga2O3作为电子传输保护层材料。优选地，所述空穴传输层材料为锂掺杂的氧化镍。优选地，所述钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3和IDIC梯度体异质结混合结构。优选地，所述电子传输层为PCBM和BCP复合薄膜。优选地，所述Ga2O3电子传输保护层的厚度为2～4nm。基于Ga2O3保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：(1)先将透明导电衬底采用半导体工艺清洗，用氮气吹干；(2)在透明导电衬底上喷涂制备锂掺杂的氧化镍前驱液，得到空穴传输层；(3)将CH3NH3PbI3/IDIC钙钛矿吸光层覆盖在空穴传输层上，其中IDIC采用乙酸乙酯作为反溶剂；(4)采用旋涂法将电子传输层溶液旋涂于吸光层上形成电子传输层；(5)将Ga2O3通过原子层沉积的方法沉积到电子传输层上，形成无机电子传输保护层；(6)在电子传输保护层上蒸发制备金属电极。优选地，步骤(2)中氧化镍前驱液采用如下方法制得：在乙酰丙酮镍中依次加乙腈和无水乙醇，得到溶液浓度为0.06mol/L的乙酰丙酮镍的乙腈和乙醇溶液；将双三氟甲基磺酸亚酰胺锂(Li-TFSI)的乙腈溶液加入到上面乙酰丙酮镍的乙腈和乙醇溶液中，得到氧化镍的前驱体溶液。优选地，步骤(3)包括如下步骤：(a)将摩尔比为1:1的CH3NH3I和PbI2一同溶解在二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的混合溶液中，得到钙钛矿前驱体溶液；将IDIC溶解到乙酸乙酯中搅拌溶解备用；(b)用匀胶机将上述配制好的钙钛矿前驱体溶液均匀地旋涂在空穴传输层上，旋涂过程中滴加IDIC的乙酸乙酯溶液，退火，得到钙钛矿吸光层。优选地，所述IDIC的乙酸乙酯溶液浓度为0.015～0.06mg/ml。优选地，步骤(4)包括如下步骤：(a)将20mg/ml的PCBM(富勒烯衍生物3'-苯基-3'H-环丙[1,9][5,6]富勒烯-C60-Ih-3'-丁酸甲酯)溶解到氯苯中，搅拌备用，将0.5mg/ml的BCP(二溴邻甲酚磺呋酞)溶解到乙醇溶液中搅拌备用；(b)在钙钛矿光吸收层上均匀旋涂一层PCBM层，再在PCBM层上旋涂一层BCP层。本专利技术可以通过步骤简单、低温、低成本的方法制备出一种基于Ga2O3保护层的高效率倒置梯度体异质结钙钛矿薄膜电池，器件具有很好光电转化效率和稳定性能，有利于技术的应用和推广。本专利技术具有以下优点和有益效果：1)用工艺简单、可在低温条件下制备，使用原子层沉积工艺沉积的薄膜平整致密。2)氧化镓薄膜的插入并没有降低钙钛矿太阳能电池的光电转化效率，反而令其有所提升，主要体现在短路电流和填充因子的提高，有很大的应用发展潜力。3)氧化镓作为一种宽带隙的n型半导体材料，其低的价带位置，有效的减少了电子-空穴对的复合(减少了漏电)，增加了器件的并联电阻。4)氧化镓是一种很稳定的化合物，具有一定的疏水性，在提高器件的湿度稳定性上意义重大。5)氧化镓的热稳定性能很好，蒸发制得的薄膜也很致密，能在光热条件下阻止金属电极扩散进入钙钛矿层引起钙钛矿的分解，有益于提高器件的光热稳定性能。6)所用的乙酸乙酯是绿色环保的溶剂，减轻器件制备过程的毒性挥发。7)使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氧化镓保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池，包括透明导电衬底以及自下而上依次层叠的空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层，电子传输保护层以及金属电极，其特征在于，所述钙钛矿吸光层含有IDIC受体材料和/或采用Ga2O3作为电子传输保护层材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于氧化镓保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池，包括透明导电衬底以及自下而上依次层叠的空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层，电子传输保护层以及金属电极，其特征在于，所述钙钛矿吸光层含有IDIC受体材料和/或采用Ga2O3作为电子传输保护层材料。2.根据权利要求1所述的基于氧化镓保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层材料为锂掺杂的氧化镍。3.根据权利要求1所述的基于氧化镓保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3和IDIC梯度体异质结混合结构。4.根据权利要求1所述的基于氧化镓保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层为PCBM和BCP复合薄膜。5.根据权利要求1所述的基于氧化镓保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述Ga2O3电子传输保护层的厚度为2～4nm。6.根据权利要求1-5任一项所述的基于氧化镓保护层的倒置梯度体异质结钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)先将透明导电衬底采用半导体工艺清洗，用氮气吹干；(2)在透明导电衬底上喷涂制备锂掺杂的氧化镍前驱液，得到空穴传输层；(3)将CH3NH3PbI3/IDIC钙钛矿吸光层覆盖在空穴传输层上，其中IDIC采用乙酸乙酯作为反溶剂；(4)采用旋涂法将电...

【专利技术属性】
技术研发人员：方国家，马俊杰，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42