一种含有疏水性电极修饰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了一种含有疏水性电极修饰层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于新型光伏太阳能电池领域，本发明专利技术所述的器件结构为从下到上依次为对电极金(Au)、空穴传输层(Spiro‑OMeTAD)、疏水性电极修饰层(MPc)、钙钛矿活性层(CH3NH3PbI3)、电子传输层(TiO2)及FTO导电玻璃衬底；所述的疏水性电极修饰层为金属酞菁类化合物，在传统的FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/spiro‑OMeTAD/Au器件结构基础上，通过在钙钛矿光吸收层与空穴传输层中间，引入无表面官能团修饰的疏水型金属酞菁化合物薄膜作为电极修饰层，有效的阻挡空气中的水对钙钛矿材料的腐蚀，显著的改善钙钛矿太阳能电池器件的长时稳定性和光照稳定性，并具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新型光伏太阳能电池领域，具体涉及一种含有疏水性电极修饰层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
未来社会的持续发展将更加依赖可再生能源。化石能源作为当前社会能源的主要来源，它们所带来了严重的污染环境和气温变暖问题已经日益得到了更加广泛的关注可讨论。开发可再生的新型能源取代传统的化石能源具有重要意义。太阳能取之不尽，用之不竭。通过源源不断的太阳能产生电力提供能源是替代化石燃料的最佳方式。现在占主导地位的商业化硅太阳能电池制备工艺复杂，生产成本高，能源回收周期长，阻碍了其广泛应用。发展廉价、大面积、制备工艺简单的新型太阳能电池迫在眉睫。近年发展的钙钛矿型太阳能电池具有制备工艺简单、光学性能好、可低温柔性制备等特点，可以作为一个理想的光伏器件而成功地被商业化应用，并得到了急速的发展，其能量转换效率已经从2009年的最出效率3％提升到了目前的22％左右.现阶段，钙钛矿型太阳能电池结构主要以“FTO透明导电玻璃/电子传输层TiO2/光吸收层CH3NH3PbI3/空穴传输层Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)/对电极Au”为主，其器件的光电转换效率高于20％；从光电转换效率角度来考量，已经符合商业化大规模生产的基本要求，并且已经超过市面上已经商用的单晶硅太阳能的光电转换效率(12-16％左右)；但是目前这种结构的钙钛矿电池，在稳定性方面存在着很大的问题。由于有机、无机杂化钙钛矿材料对H2O和O2都非常敏感，因此钙钛矿太阳能电池的制备工艺一般都要在手套箱中进行。组装完成的器件在空气中放置时，也会造成钙钛矿材料的分解，2013年，韩国的Seok等人研究发现钙钛矿材料在湿度为55％的条件下颜色由深棕色变为黄色导致器件效率由12％下降至4％以下，表明环境中的H2O导致钙钛矿材料的大量分解进而造成PSC效率下降。2014年，AronWalsh等人的研究工作表明H2O分子会和CH3NH3PbI3结合夺取甲胺基团中的一个质子，生成中间产物[(CH3NH3+)n-1(CH3NH2)PbI3][H2O]之后这一中间产物会分解为HI的水合物以及易挥发的甲胺，从而造成钙钛矿的分解并最终生成PbI2。Zou等通过改变钙钛矿吸收层，将CH3NH3PbI3中的I-通过离子交换手段部分替换为Br-，使PSC器件的稳定性提高到14天，但并没有解决H2O和O2对材料分解的根本问题。由于钙钛矿器件的整体厚度在1μm左右，所以采用密封胶隔绝空气的方法会破坏器件的结构以及对电极(金、银以及碳)的设计。在器件内部引入电极修饰层来隔绝H2O和O2是一种较理想的方法，一方面，可以加强钙钛矿光吸收层和电极的能级匹配，提供通畅的载流子传输路径从而有利于电极对电荷的收集。另一方面，电极修饰层能够隔绝空气中的H2O和O2透过载流子传输层分解CH3NH3PbX3。一些研究者尝试了利用LiF作为隔绝层提高PSC的稳定性，但是过薄的LiF层不能有效地阻挡H2O和O2进入钙钛矿层；由于LiF是电介质，增加LiF层的厚度又会增大器件的串联电阻Rs，降低短路电流Jsc和光电转换效率。金属酞菁类化合物(MPc)作为光伏器件的电极修饰层，在传统的有机电池和染料电池中已经得到了广泛的研究。在传统的有机太阳能电池研究当中，Lessmann、AL-Amar等课题组就通过采用ZnPc/C60、F16CuPc和CarboxylatedCuPc作为有机电池的阳极修饰层，通过阻挡器件外部的H2O和O2，大幅度提高了有机电池的器件寿命。而利用金属酞菁类化合物提高钙钛矿太阳能电池的稳定性方面的研究迄今尚无报道。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中钙钛矿太阳能电池在空气中放置，器件长时稳定性差、衰减速度快而不能有效的进行商业化应用的问题。本专利技术在传统的FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au器件结构基础上，通过在钙钛矿光吸收层与空穴传输层中间，引入无表面官能团修饰的疏水型金属酞菁化合物薄膜作为电极修饰层，有效的阻挡空气中的水对钙钛矿材料的腐蚀，显著的改善钙钛矿太阳能电池器件的长时稳定性光照稳定性，并具有良好的应用前景。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种含有疏水性电极修饰层的钙钛矿太阳能电池，从下到上依次为对电极金(Au)、空穴传输层(Spiro-OMeTAD)、疏水性电极修饰层(MPc)、钙钛矿活性层(CH3NH3PbI3)、电子传输层(TiO2)及FTO导电玻璃衬底；所述的疏水性电极修饰层为金属酞菁类化合物,具体为酞菁锌(ZnPc)、酞菁铜(CuPc)、酞菁铁(FePc)、酞菁镍(NiPc)以及酞菁钴(CoPc)。进一步地，所述的空穴传输层的厚度为100-300nm、疏水性电极修饰层的厚度为40-100nm、钙钛矿活性层的厚度为300-600nm、电子传输层的厚度为30-50nm、FTO导电玻璃衬底的厚度为400-800nm。一种含有疏水性电极修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，具体步骤如下：(1)制备透明导电玻璃衬底：将FTO衬底分别用丙酮、异丙醇、去离子水和乙醇分别超声清洗10-20分钟，然后在氮气下干燥，最后在紫外-臭氧机(UV-Ozone)里面处理10-20分钟；FTO基底的平均透过率为82-87％；(2)制备电子传输层：在处理后的FTO基底上旋涂原子比为5％(Nb：Ti＝5:100)的氯化铌(NbCl5)掺杂异丙醇钛(Ti{OCH(CH3)2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含有疏水性电极修饰层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，从下到上依次为对电极金(Au)、空穴传输层(Spiro‑OMeTAD)、疏水性电极修饰层(MPc)、钙钛矿活性层(CH3NH3PbI3)、电子传输层(TiO2)及FTO导电玻璃衬底；所述的疏水性电极修饰层为金属酞菁类化合物。

【技术特征摘要】
1.一种含有疏水性电极修饰层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，从下到上依次为对电极金(Au)、空穴传输层(Spiro-OMeTAD)、疏水性电极修饰层(MPc)、钙钛矿活性层(CH3NH3PbI3)、电子传输层(TiO2)及FTO导电玻璃衬底；所述的疏水性电极修饰层为金属酞菁类化合物。2.如权利要求1所述的一种含有疏水性电极修饰层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的疏水性电极修饰层为酞菁锌、酞菁铜、酞菁铁、酞菁镍(NiPc)或酞菁钴。3.如权利要求1所述的一种含有疏水性电极修饰层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的空穴传输层的厚度为100-300nm、疏水性电极修饰层的厚度为40-100nm、钙钛矿活性层的厚度为300-600nm、电子传输层的厚度为30-50nm、FTO导电玻璃衬底的厚度为400-800nm。4.一种含有疏水性电极修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)制备透明导电玻璃衬底：将FTO衬底分别用丙酮、异丙醇、去离子水和乙醇分别超声清洗10-20分钟，然后在氮气下干燥，最后在紫外-臭氧机里面处理10-20分钟；FTO基底的平均透过率为82-87％；(2)制备电子传输层：在处理后的FTO基底上旋涂原子比为5％(Nb：Ti＝5:100)的氯化铌掺杂异丙醇钛或者氯化铌掺杂四异丙氧基钛材料，旋涂速度为2000-3000rpm，形成30-50nm的电子传输层，并于350-500℃退火30-60分钟，器件的结构为FTO/Nb-TiO2；(3)制备钙钛矿光吸收层：在FTO/Nb-TiO2基底上，通过真空热蒸发的方法制备厚度为300-600nm的PbI2，然后将FTO/TiO2/PbI2浸泡在CH3NH3I的异丙醇溶液中，异丙醇溶液温度控制在15-35℃，其中，CH3NH3I在异丙醇溶液中的浓度为8-20mg/ml，浸泡时间为15-45分钟，器件的结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈聪，宋宏伟，戴其林，李昊龙，金俊杰，程禹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22