一种平面异质结钙钛矿光伏电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种平面异质结钙钛矿光伏电池及其制备方法，本发明专利技术通过在电极修饰层中掺杂液晶分子，增强了电极修饰层传输电子或空穴的能力，促使钙钛矿吸光层中产生的电子和空穴及时快速运输到外电路；利用液晶分子具有有序性和流动性的自组装特性，诱导电极修饰层材料有序生长，增强电极修饰层材料的结晶性，形成平整致密的薄膜形貌。在其表面形成的钙钛矿层晶体中缺陷少、规整度高，膜层平整、均匀、致密，有效提高载流子扩散距离，降低电子与空穴的复合，进而显著提高电池的光电转换效率和稳定性。同时，本发明专利技术掺杂液晶分子的电极修饰层，采用低温溶液法制备，更适合大面积钙钛矿光伏电池的卷对卷工业化生产，工艺简单、制造成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钙钛矿光伏电池，具体的说涉及一种新型平面异质结钙钛矿光伏电池及其制备方法。
技术介绍
钙钛矿光伏电池作为光伏领域新秀，技术发展迅速且潜力巨大，光电转换效率已从2009年的3.8％提升至目前最高的20.1％。积极开展钙钛矿光伏电池技术研究对于抢占太阳电池行业发展的先机，促进太阳电池技术的升级换代具有重要意义。目前，钙钛矿光伏电池的构造通常采用体相异质结结构、平面异质结结构和无空穴输运材料异质结结构等。传统的体相异质结结构为具有支架层的介观电池，而支架层一般需要高温烧结或高真空沉积工艺，复杂且成本高；无空穴输运材料异质结结构电池虽然成本低，但效率较低；平面异质结结构器件由透明电极、电极修饰层、钙钛矿吸光层、电极缓冲层和对电极五部分构成，其中电极修饰层和电极缓冲层，一个为n型电子传输层，另一个为p型空穴传输层。平面异质结结构器件可制作成p-i-n型结构，简单、高效、有利于规模生产。但是，对于平面异质结钙钛矿光伏电池，还存在以下两方面的问题：(1)电极修饰层通常采用电子传输材料(如TiO2、ZnO)或空穴传输材料(MoO3、Spiro-OMeTAD)形成，这种薄膜载流子迁移率低、传输电子或空穴能力差，导致钙钛矿吸光层中产生的电子和空穴不能及时运输到外电路而在内部复合，显著降低电池光电性能；(2)电极修饰层薄膜粗糙、致密性差，在其表面沉积钙钛矿CH3NH3PbI3溶液，成膜后晶体中缺陷较多、规整度差，难以形成平整、均匀、致密的钙钛矿薄膜，载流子扩散距离短，电子和空穴复合严重。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型平面异质结钙钛矿光伏电池及其制备方法，以解决现有光伏电池因电极修饰层载流子迁移率低、传输电子或空穴能力差的问题而导致其光电性能也较差的问题。本专利技术的目的之一是这样实现的：一种新型平面异质结钙钛矿光伏电池，其包括衬底和依次层叠于该衬底上的透明电极、电极修饰层、钙钛矿吸光层、电极缓冲层和对电极，所述的电极修饰层为掺杂有液晶分子的电子传输层或空穴传输层；其中，所述电极修饰层中液晶分子所占重量比为10-35％。所述的新型平面异质结钙钛矿光伏电池，所述的电极缓冲层为空穴传输层或电子传输层，所述电极修饰层和所述电极缓冲层不同时为电子传输层或空穴传输层。所述的新型平面异质结钙钛矿光伏电池，所述电子传输层采用n型半导体材料制成，所述n型半导体材料为TiO2、SnO2、TIPD、PFN、PN4N、PEIE、ZnO、PC61BM、PC71BM、ICBA、C60-bis和BCP中的任意一种，所述空穴传输层采用p型半导体材料制成，所述p型半导体材料为CuI、CuSCN、NiO、Spiro-OMeTAD、P3HT、PCPDTBT、PEDOT:PSS、NPB、TPD、V2O5和MoO3中的任意一种。所述的新型平面异质结钙钛矿光伏电池，所述钙钛矿吸光层厚度为100-1000nm，其由化学通式为ABXmY3-m型晶体结构的一种或多种材料形成，其中A为CH3NH3、C4H9NH3或NH2＝CHNH2；B为Pb、Sn；X为Cl、Br或I，Y为Cl、Br或I，且X和Y不同时为同一种元素；m＝1、2或3。本专利技术所述的新型平面异质结钙钛矿光伏电池，所述电极修饰层中液晶分子所占重量比优选为15-30％。本专利技术所述的新型平面异质结钙钛矿光伏电池，所述电极修饰层厚度为5～150nm，优选8～100nm；所述电极缓冲层的厚度为10-150nm，所述钙钛矿吸光层厚度优选150-550nm。本专利技术所述的新型平面异质结钙钛矿光伏电池，所述液晶分子的类型为向列型、距列型、胆固醇型和圆盘型中的任意一种。本专利技术的另一目的是提供该新型平面异质结钙钛矿光伏电池的制备方法，以得到光电性能更好的钙钛矿光伏电池，增强电池的电极修饰层传输电子或空穴的能力。一种平面异质结钙钛矿光伏电池的制备方法，包括以下步骤：(1)在衬底上制备透明电极；(2)在透明电极上沉积电极修饰层材料，形成电极修饰层薄膜；其中，所述电极修饰层材料为掺杂有液晶分子的n型或p型半导体材料的透明溶液，所述液晶分子在所述电极修饰层中所占重量比为10-35％；(3)在电极修饰层表面沉积钙钛矿晶体结构材料，形成钙钛矿吸光层薄膜；(4)在钙钛矿吸光层表面沉积电极缓冲层材料，形成电极缓冲层薄膜；(5)在电极缓冲层表面制备对电极。所述的平面异质结钙钛矿光伏电池的制备方法，所述电极缓冲层材料为n型或p型半导体材料的透明溶液，所述电极修饰层和所述电极缓冲层不同时为n型或p型半导体材料。所述的平面异质结钙钛矿光伏电池的制备方法，所述n型半导体材料为TiO2、SnO2、TIPD、PFN、PN4N、PEIE、ZnO、PC61BM、PC71BM、ICBA、C60-bis或BCP中的任意一种；所述p型半导体材料为CuI、CuSCN、NiO、Spiro-OMeTAD、P3HT、PCPDTBT、PEDOT:PSS、NPB、TPD、V2O5、或MoO3中的任意一种。所述的平面异质结钙钛矿光伏电池的制备方法，掺杂有液晶分子的n型或p型半导体材料的透明溶液的配制方法为将液晶分子与n型或p型半导体材料同时溶于溶剂中得到。与现有未掺杂液晶分子电极修饰层制备的钙钛矿光伏电池相比，本专利技术的有益效果表现在：(1)本专利技术通过在电极修饰层中掺杂液晶分子，使电极修饰层材料与液晶分子组成的复合物在光伏电池中为电子与空穴的运输提供有序通道，利用液晶分子对载流子具有高迁移率的光导电特性，增强了电极修饰层传输电子或空穴的能力，促使钙钛矿吸光层中产生的电子和空穴及时快速运输到外电路而形成光电流，显著提高电池的光电转换效率。(2)本专利技术电极修饰层通过掺杂液晶分子，利用液晶分子具有有序性和流动性的自组装特性，诱导电极修饰层材料有序生长，增强电极修饰层材料的结晶性，形成平整致密的薄膜形貌。在其表面沉积钙钛矿CH3NH3PbI3溶液，成膜后晶体中缺陷少、规整度高，可形成平整、均匀、致密的钙钛矿薄膜，有效提高载流子扩散距离，降低电子与空穴在钙钛矿层内部及异质结界面的复合，进而显著提高电池的光电转换效率和稳定性。(3)本专利技术掺杂液晶分子的电极修饰层，采用低温溶液法制备，更适合大面积钙钛矿光伏电池的卷对卷工业化生产，工艺简单、制造成本低。附图说明图1根据本专利技术一种平面异质结钙钛矿光伏电池的结构示意图。图2是实施例1和对比例1中钙钛矿吸光层SEM扫描照片。图中：1-衬底、2-透明电极、3-电极修饰层、4-钙钛矿吸光层；5-电极缓冲层；6-对电极。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本专利技术进行进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术。图1是本专利技术的平面异质结钙钛矿光伏电池的结构示意图，它包括衬底1，设置在衬底1上的透明电极2，在透明电极2上形成掺杂有液晶分子的半导体材料薄膜的电极修饰层3，在电极修饰层3上形成钙钛矿吸光层4，在钙钛矿吸光层4上形成的电极缓冲层5，在电极缓冲层5上形成的对电极6。其中，电极修饰层3和电极缓冲层5，一个为电子传输层，另一个则为空穴传输层。本专利技术的衬底1和透明电极2的材料没有特殊限制，衬底1可以为透明玻璃或透明塑料薄膜，透明电极2可以为铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型平面异质结钙钛矿光伏电池，其包括衬底和依次层叠于该衬底上的透明电极、电极修饰层、钙钛矿吸光层、电极缓冲层和对电极，其特征是，所述的电极修饰层为掺杂有液晶分子的电子传输层或空穴传输层；其中，所述电极修饰层中液晶分子所占重量比为10‑35%。

【技术特征摘要】
1.一种新型平面异质结钙钛矿光伏电池，其包括衬底和依次层叠于该衬底上的透明电极、电极修饰层、钙钛矿吸光层、电极缓冲层和对电极，其特征是，所述的电极修饰层为掺杂有液晶分子的电子传输层或空穴传输层；其中，所述电极修饰层中液晶分子所占重量比为10-35%。2.根据权利要求1所述的新型平面异质结钙钛矿光伏电池，其特征是，所述的电极缓冲层为空穴传输层或电子传输层，所述电极修饰层和所述电极缓冲层不同时为电子传输层或空穴传输层。3.根据权利要求1或2所述的新型平面异质结钙钛矿光伏电池，其特征是，所述电子传输层采用n型半导体材料制成，所述n型半导体材料为TiO2、SnO2、TIPD、PFN、PN4N、PEIE、ZnO、PC61BM、PC71BM、ICBA、C60-bis和BCP中的任意一种，所述空穴传输层采用p型半导体材料制成，所述p型半导体材料为CuI、CuSCN、NiO、Spiro-OMeTAD、P3HT、PCPDTBT、PEDOT:PSS、NPB、TPD、V2O5和MoO3中的任意一种。4.根据权利要求1所述的新型平面异质结钙钛矿光伏电池，其特征是，所述钙钛矿吸光层厚度为100-1000nm，其由化学通式为ABXmY3-m型晶体结构的一种或多种材料形成，其中A为CH3NH3、C4H9NH3或NH2=CHNH2；B为Pb或...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨少鹏，侯丽新，傅广生，赵晓辉，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：河北;13