基于Spiro-OMeTAD/PbS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于Spiro‑OMeTAD/PbS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。该钙钛矿太阳能电池由透明导电衬底、氧化物电子传输层、钙钛矿吸光层、Spiro‑OMeTAD/PbS复合空穴传输层和金属电极组成。该钙钛矿薄膜太阳能电池采用工艺简单、可作大面积生产的蒸发法制备硫化铅薄膜，插入Spiro‑OMeTAD和金属电极层之间，作为缓冲层。这种基于Spiro‑OMeTAD/PbS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池取得了15.11%的高光电转化效率。作为空穴传输层与金属电极之间缓冲层，硫化铅具有更高的空穴迁移率、更好的湿度稳定性和光热稳定性，能够减少电子‑空穴对的复合，同时提高电池稳定性。相较于其它缓冲层材料，硫化铅能够在保护器件的同时提升器件性能，对太阳能电池的产业化发展有积极的推动作用。 1

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于Spiro-OMeTAD/PbS复合空穴传输层的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，能源危机越来越紧迫，清洁能源的研究变得越来越迫切。太阳能由于其储量巨大且持久稳定，成为目前最具潜力的清洁能源之一，而太阳能电池能将太阳能直接转化为电能，具有很大的应用前景。钙钛矿太阳能电池作为第二代薄膜太阳能电池中的后起之秀，近年来发展迅速，由于其具有很高的光电转化效率，在国内外引起了空前巨大的研究热潮，并且已经取得了很多的研究成果。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Michael组的Michael Saliba等人发表在国际权威杂志Energy&Environmental Science(EES)上的有关三元阳离子掺杂钙钛矿材料太阳能电池的研究，取得了21.1％的惊人效率，已达到商业多晶硅太阳能电池的效率水平(Micheal Saliba,Taisuke Matsui,ji-Youn Seo,Konrad Domanski,Juan-Pablo Correa-Baena,Mohammad Khaja Nazeeruddin,Shaik M.Zakeeruddin,Wolfgang Tress,Antonio Abate,Anders Hagfeldt and MichaelCesium-containing triple cation perovskite solar cells:improved stability,reproducibility and high efficiency.Energy&Environ.Sci.2016.)。然而，稳定性问题，包括光稳定性、湿度稳定性、热稳定性及长期稳定性等问题，仍然是阻碍钙钛矿太阳能电池走向工业化应用的绊脚石之一。经典钙钛矿太阳能电池结构中使用掺杂的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴即Spiro-OMeTAD作为空穴传输层，其中添加剂双三氟甲基磺酸亚酰胺锂(Li-TFSI)具有很强的亲水性，这对于对湿度敏感的钙钛矿层是一个很大的隐患。此外，溶液法得到的Spiro-OMeTAD(简称Spiro)层存在很多针孔，不管是对水汽的侵入还是金属电极的渗透都提供了极大的便利，而已有文献证明，除因湿度的影响外，在高温光照条件下(>70℃，AM1.5)金属电极扩散进入钙钛矿层是引起钙钛矿不可逆分解的主要原因(Konrad Domanski,Juan-Pablo Correa-Baena,Nicolas Mine,Mohammad Khaja Nazeeruddin,Antonio Abate,Micheal Saliba,Wolfgang Tress,Anders Hagfeldt,MichaelNot All That Glitters is Gold:Metal Migration-Induced Degradation in Perovskite Solar Cells.ACS nano.2016.)。目前针对此问题的研究主要分两个方向，其一是使用疏水的其他p型材料如NiO、CuPc及其它基于三苯胺的高分子材料代替Spiro，其二是在金属电极和Spiro层间插入一个缓冲层，如Al2O3、MoOx、Cr等。Xu等在常规空穴传输层上使用原子力沉积(ALD)方法得到一层超薄Al2O3，所得电池在室温、50％湿度条件下存放24天效率仍保持原始效率的90％(Xu Dong,Xiang Fang,Minghang Lv,Bencai Lin,Shuai Zhang,Jianning Ding and Ningyi Yuan.Improvement of the humidity stability of organic-inorganic perovskite solar cells using ultrathin Al2O3layers prepared by atomic layer deposition.J.Mater.Chem.A,2015)，而Konrad等则在空穴传输层与金属电极之间引入了超薄的Cr层，虽然电池效率有所牺牲，但如此制备的电池在真实工作条件(75℃、一个标准太阳光照、最大功率输出)下12小时仍能保持原始效率80％的输出，作为对照，未插入Cr层的电池12小时后输出效率只有原来的50％，且呈现持续下降的趋势(Konrad Domanski,Juan-Pablo Correa-Baena,Nicolas Mine,Mohammad Khaja Nazeeruddin,Antonio Abate,Micheal Saliba,Wolfgang Tress,Anders Hagfeldt,MichaelNot All That Glitters is Gold:Metal Migration-Induced Degradation in Perovskite Solar Cells.ACS nano.2016.)。硫化铅(PbS)作为一种重要的p型半导体材料，近年来得到了越来越多的应用，包括量子点电池、光电探测器等，但大多需要制备成PbS量子点使用(Ahmed.S.Obaid,M.A.Mahdi,Z.Hassan,M.Bououdina.Preparation of chemically deposited thin films of CdS/PbS solar cell.Superlattices and Microstructures.2012.；Rinku Saran and Richard J.Curry.Lead sulphide nanocrystal photodetector technologies.Nature Photonics.2016.；Yi Li,Jun Zhu,Yang Huang,Junfeng Wei,Feng Liu,Zhipeng Shao,Linhua Hu,Shuanghong Chen,Shangfeng Yang,Junwang Tang,Jianxi Yao and Songyuan Dai.Efficient inorganic solid solar cells composed of perovskite and PbS quantum dots.Nanoscale.2015.)。本专利技术首次证实了硫化铅薄膜作为缓冲层，与Spiro-OMeTAD一起组成复合空穴传输层的应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是针对现有的钙钛矿太阳能电池稳定性不高等特点，提供一种基于Spiro-OMeTAD/PbS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池以及可大面积制备p型硫化铅薄膜的方法。本专利技术所提供的技术方案具体如下：一种基于Spiro-OMeTAD/PbS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Spiro‑OMeTAD/PbS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，包括透明导电衬底和依次层叠于透明导电衬底上的金属氧化物电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层以及金属电极层；其特征在于：所述的空穴传输层通过以下方式得到：先在钙钛矿吸光层上旋涂一层Spiro‑OMeTAD层，再在真空条件下通过热蒸发法将高纯度的硫化铅粉末沉积在Spiro‑OMeTAD层上，形成一层p型硫化铅薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种基于Spiro-OMeTAD/PbS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，包括透明导电衬底和依次层叠于透明导电衬底上的金属氧化物电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层以及金属电极层；其特征在于：所述的空穴传输层通过以下方式得到：先在钙钛矿吸光层上旋涂一层Spiro-OMeTAD层，再在真空条件下通过热蒸发法将高纯度的硫化铅粉末沉积在Spiro-OMeTAD层上，形成一层p型硫化铅薄膜。2.根据权利要求1所述的基于Spiro-OMeTAD/PbS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的硫化铅粉末的纯度高于99.99%。3.根据权利要求1所述的基于Spiro-OMeTAD/PbS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的p型硫化铅薄膜的厚度为20~70nm。4.根据权利要求1所述的基于Spiro-OMeTAD/PbS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的透明导电衬底为FTO导电玻璃；所述的钙钛矿层吸光层为CH3NH3PbI3薄膜或[CH3NH3]x[CH(NH2)2]1-xPbI3薄膜，其中，0＜x＜1；所述的金属氧化物电子传输层为SnO2薄膜；所述的金属电极层为金电极。5.一种制备权利要求1-4任一项所述的基于Spiro-OMeTAD/PbS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）先将透明导电衬底采用半导体工艺清洗，用氮气吹干；（2）然后用甩胶机将金属氧化物的前驱体溶液均匀地旋涂在透明导电衬底上，在200摄氏度条件下退火一个小时，得到金属氧化物电子传输层；（3）在金属氧化物电子传输层上旋涂一层钙钛矿吸光层，退火处理；（4）空穴传输层的制备：（4-）先将...

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