一种基于N型铋基电子收集层的有机‑无机钙钛矿薄膜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N型铋基电子收集层的有机‑无机钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法，属于光电材料及薄膜太阳能电池制备技术领域。本发明专利技术的一种基于N型铋基电子收集层的有机‑无机钙钛矿薄膜太阳能电池，包括透明导电衬底1及在其上依次沉积的P型空穴传导层2、P型有机‑无机钙钛矿吸收层3、N型铋基电子收集层4、和背电极层5，所述N型铋基电子收集层4材料为Bi2S3或Bi/Bi2S3，其中，所述的Bi2S3为晶态或者非晶态。本发明专利技术的N型铋基电子收集层材料资源丰富且不含有毒成分，疏水性能好，可有效的替代传统的PCBM或ZnO材料，由其构成的有机‑无机钙钛矿薄膜太阳能电池性能稳定，最佳光电转换效率可达13％。

【技术实现步骤摘要】
一种基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于光电材料及薄膜太阳能电池制备
，涉及一种有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池，更具体地说，本专利技术涉及一种基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
随着经济的发展，能源需求量剧增，不可再生能源的枯竭及化石燃料燃烧引起的环境污染问题变得更加突出，太阳能电池作为一种清洁无污染的新能源受到很多的关注。钙钛矿薄膜太阳能电池作为近年来研究的热点，在短短四年多的时间里，其光电转换效率迅速突破20％，并实现20.1％的认证效率，见WoonSeokYangetal.“High-performancephotovoltaicperovsiktelayersfabricatedthroughintramolecularexchange”(Science,2015,348,1234-1237)。目前可以作为有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池的电子收集层材料主要有ZnO(见JingbiYouetal.“Improvedairstabilityofperovskitesolarcellsviasolution-processedmetaloxidetransportlayers”(Naturenanotechnology,doi:10.1038/nnano.2015.230))，TiO2(见Anyi，Meietal.“Ahole-conductor–free,fullyprintablemesoscopicperovskitesolarcellwithhighstability”(science，2014,18,295-298))，PCBM(见JangwonSeOetal.“BenefitsofverythinPCBMandLiFlayersforsolution-processedP–I–Nperovskitesolarcells”(EnergyEnvironmentalSicence,2014,7,2642-2646))等，在有机-无机钙钛矿太阳能电池中，P-I-N结构器件表现出了优异的光电转换特性，最高器件效率已达到18.3％，见WeiChenetal.“Efficientandstablelarge-areaperovskitesolarcellswithinorganicchargeextractionlayers”(Science,2015,doi:10.1126/science.aad1015)。在P-I-N器件结构中，PCBM作为N型电子收集层使用最为广泛，但是，由于PCBM价格昂贵，高达5300$/g，此外，由于其溶解性较好、容易吸潮，严重影响了有机-无机钙钛矿太阳能电池的稳定性，这些缺点在很大程度上影响了其作为电子收集层在P-I-N结构有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池中的进一步应用和产业化发展。因此，开发一种适用于有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池且价格低廉，性能稳定，制备工艺简单，易于大面积生产的N型电子收集层迫在眉睫。
技术实现思路
为了克服
技术介绍
中所指出的问题及现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法，解决现有技术中有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池中N型电子收集层材料可选择性少，且价格昂贵、稳定性差、生产工艺复杂的技术问题。本专利技术所提供的一种基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池，包括透明导电衬底1及在其上依次沉积的P型空穴传导层2、P型有机-无机钙钛矿吸收层3、N型铋基电子收集层4、和背电极层5，所述N型铋基电子收集层4材料为Bi2S3或Bi/Bi2S3。进一步地，上述技术方案中所述的Bi2S3为晶态或者非晶态。进一步地，上述技术方案中所述的P型有机-无机钙钛矿吸收层材料具有ABX3型晶体结构，其中A可以为CH3NH3、CH(NH3)2或Cs，B可以为Pb，Bi或Sn，X可以为Cl，Br或I。进一步地，上述技术方案中所述透明导电衬底1可以是掺Sn的三氧化二铟(ITO)，掺F的二氧化锡(FTO)或掺Al的氧化锌(AZO)为导电层的导电玻璃；所述P型空穴传导层2为PEDOT：PSS、NiO或CuGaO2材料；所述背电极层5可以为Au、Ag或Al材料。进一步地，上述技术方案中所述透明导电衬底1的厚度为1～2mm，所述P型空穴传导层2的厚度为10～200nm，所述P型有机-无机钙钛矿吸收层3的厚度为100～1000nm，所述N型铋基电子收集层4的厚度为10nm～500nm，所述背电极层5的厚度为20～200nm。本专利技术还提供了一种上述所述的基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，包括P型空穴传导层的制备步骤，P型吸收层的制备步骤，N型铋基电子收集层的制备步骤、金属电极层的沉积步骤，其特征在于：一、P型空穴传导层的制备步骤：采用旋涂、热喷涂或磁控溅射的方法在透明导电衬底1上沉积P型空穴传导层2；二、P型有机-无机钙钛矿吸收层的制备步骤：采用溶液旋涂或热蒸发辅助的方法在P型空穴传导层2上沉积P型有机-无机钙钛矿吸收层3；三、N型铋基电子收集层的制备步骤：采用热蒸发或近空间升华法在P型有机-无机钙钛矿吸收层3上沉积N型铋基电子收集层4；四、金属电极层的沉积步骤：采用磁控溅射、热蒸发、喷涂或丝网印刷法，在N型铋基电子收集层4上沉积背电极层5，从而制得P-I-N结构的基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池。进一步地，上述技术方案中所述的基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，所述透明导电衬底1的厚度为1～2mm，所述P型空穴传导层2的厚度为10～200nm，所述P型有机-无机钙钛矿吸收层3的厚度为100～1000nm，所述的N型铋基电子收集层4的厚度为10nm～500nm，所述背电极层5的厚度为20～200nm。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术中，N型铋基电子收集层所使用的原材料均选自地壳中丰度较高的元素，资源丰富且因不含有毒成分而对环境友好，性能稳定，疏水性能好，可有效的替代传统的PCBM或ZnO材料，从而成为具有发展潜力的低成本、无污染的新型薄膜太阳能电池材料。随着科学技术的发展，N型铋基电子收集层还可以通过磁控溅射、激光脉冲沉积、化学水浴沉积、电化学沉积或溶液涂膜法等多种方法制备，由其作为电子收集层的钙钛矿薄膜太阳能电池具有优异的光伏性能，在空气中性能稳定且对环境友好并有望实现低成本大面积生产的优点。附图说明图1为本专利技术基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池的横截面示意图，其中，1-透明导电衬底，2-P型空穴传导层，3-P型有机-无机钙钛矿吸收层、4-N型铋基电子收集层，5-背电极层；图2为本专利技术实施例1～9中制备N型铋基非晶电子收集层所使用的Bi2S3粉末的X射线衍射图谱；图3为本专利技术实施例1～9中制备N型铋基非晶电子收集层所使用的Bi2S3粉末的TGA图谱；图4为本专利技术实施例1中铋基电子收集层材料Bi2S3在P型有机-无机钙钛矿吸收层CH3NH3PbI3上的电子扫描显微镜下的表面形貌；图5为本专利技术实施例2中P型有机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于N型铋基电子收集层的有机‑无机钙钛矿薄膜太阳能电池，包括透明导电衬底(1)及在其上依次沉积的P型空穴传导层(2)、P型有机‑无机钙钛矿吸收层(3)、N型铋基电子收集层(4)、和背电极层(5)，其特征在于：所述N型铋基电子收集层(4)材料为Bi2S3或Bi/Bi2S3。

【技术特征摘要】
1.一种基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池，包括透明导电衬底(1)及在其上依次沉积的P型空穴传导层(2)、P型有机-无机钙钛矿吸收层(3)、N型铋基电子收集层(4)、和背电极层(5)，其特征在于：所述N型铋基电子收集层(4)材料为Bi2S3或Bi/Bi2S3。2.根据权利要求1所述的基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于：所述的Bi2S3为晶态或者非晶态。3.根据权利要求1所述的基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于：所述的P型有机-无机钙钛矿吸收层材料具有ABX3型晶体结构，其中A为CH3NH3、CH(NH3)2或Cs，B为Pb、Bi或Sn，X为Cl，Br或I。4.根据权利要求1～3任一项所述的基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于：所述透明导电衬底(1)可以是掺Sn的三氧化二铟，掺F的二氧化锡或掺Al的氧化锌为导电层的导电玻璃；所述P型空穴传导层(2)为PEDOT：PSS、NiO或CuGaO2材料；所述背电极层(5)分别可以为Au、Ag或Al材料。5.根据权利要求1～3任一项所述的基于N型铋基电子收集层的有机-无机钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于：所述透明导电衬底(1)的厚度为1～2mm，所述P型空穴传导层(2)的厚度为10～200nm，所述P型有机-无机钙钛矿吸收层(3)的厚度为100～1000nm，所述N...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐江，李登兵，胡龙，
申请(专利权)人：武汉光电工业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42