体异质结钙钛矿薄膜及其制备方法和太阳能电池技术

本发明专利技术涉及体异质结钙钛矿薄膜及其制备方法和太阳能电池，所述体异质结钙钛矿薄膜包括：体异质结层，所述体异质结层包括作为电子给体材料的钙钛矿多晶薄膜、和位于所述钙钛矿多晶薄膜的晶界位置的电子受体材料；以及位于所述体异质结层表面的钙钛矿薄膜层。将本发明专利技术的体异质结钙钛矿薄膜应用于钙钛矿太阳能电池时，其可以取代现有的介孔电子传输层和钙钛矿吸光层，从而可以简化电池的结构，还可以避免独立介孔层制备过程中所需的高温烧结工艺，适于在塑性基底上制备高效率柔性钙钛矿太阳能电池。

Bulk heterojunction Perovskite Thin film, preparation method thereof and solar cell

The present invention relates to a bulk heterojunction perovskite film and preparation method thereof and solar cell, the bulk heterojunction perovskite thin films including bulk heterojunction layer, the bulk heterojunction layer as electron donor material of perovskite polycrystalline thin films, and the grain boundaries in the perovskite polycrystalline thin film electron acceptor materials; and in the bulk heterojunction Perovskite Thin film layer surface layer. The invention of bulk heterojunction solar cell Perovskite Thin Films Applied in perovskite, which can replace the electron transport layer and mesoporous perovskite existing light absorbing layer, which can simplify the structure of the battery, but also can avoid the independent mesoporous layer preparation required in the process of high temperature sintering technology, suitable for plastic substrate the preparation of high efficiency flexible perovskite solar cell.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能电池
，尤其涉及一种太阳能电池用薄膜的制备方法，更具体而言，涉及一种体异质结钙钛矿薄膜与相应的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
随着人类社会的发展，对于能源的需求与日俱增。太阳能作为一种清洁、无污染的能源，受到国内外的广泛关注与深入研究。基于有机-无机杂化钙钛矿薄膜的太阳能电池是近年发展起来的一类新型太阳能电池，其优点十分突出：1、有机-无机杂化钙钛矿材料制备工艺简单、成本较低；2、具有可调控的带隙；3、平衡的电子空穴迁移率、高的量子发光效率和较大的缺陷容忍度；4、可制成半透明电池或柔性电池，易于与其它器件集成，应用场景大大拓宽。因此，钙钛矿太阳能电池及相关材料已成为光伏领域的一个重要研究方向，目前获得了22.1％的认证效率，应用前景广阔。目前钙钛矿太阳能电池普遍采用的结构主要有三种：平板型、介孔型和反式结构。反式结构的突出特点是滞后较小或者没有滞后，但是效率相对不高。正式结构的平板型钙钛矿电池滞后较大，虽然采用富勒烯、SnO2等材料为空穴阻挡层后滞后减小或消除，但是电池效率还没能超过介孔型结构。介孔型结构的钙钛矿太阳能电池在滞后消除和效率方面目前具有优势，但是电池结构中需要一层独立的介孔层。一方面，介孔层的制备工艺往往要在较高温度下(如500℃)烧结处理，阻碍了其在塑性基底上制备柔性钙钛矿太阳能电池。另一方面，电池滞后的消除情况依赖钙钛矿晶粒在介孔层中的填充情况，若填充不充分，滞后很难完全消除。此外，对于基于以上结构的电池，钙钛矿ABX3薄膜的制备方法对其薄膜形貌、电荷迁移率、电子寿命及光电转换性能影响较大。例如，目前文献中报道的一步溶液法、两步溶液法、气相沉积法和气相辅助溶液法等制备方法，均是以获得平整致密的钙钛矿薄膜为目标。若所制备薄膜针孔状缺陷较多，易造成薄膜中电荷的复合，严重影响薄膜的性能。这不但增加了钙钛矿薄膜的制备难度，而且不利于规模化制备和成品率控制。CN104201284A公开了一种基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，所述集成太阳电池自下而上依次包括透明电极、空穴传输层、钙钛矿吸光层、有机物共混层、任选地空穴阻挡层以及金属电极，其中，所述有机物共混层是指体异质结太阳电池给体材料和受体材料的混合膜，给体材料是应用于体异质结太阳电池的光学带隙小于1.5eV的共轭聚合物或/和小分子，优选PDPP3T、PMDPP3T、PDPPBTT或PDTP-DFBT中的任意一种或者至少两种的混合物。该电池结构为钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的叠层电池，主要活性材料钙钛矿材料并未作为电子给体而形成体异质结的结构。
技术实现思路
本专利技术旨在解决目前采用公开报道的电池结构及制备方法的不足，提出了一种新的基于体异质结钙钛矿薄膜的电池结构及其实现方法，该电池结构不需要独立的介孔层，即可达到介孔型钙钛矿太阳能电池的性能，并且该类型钙钛矿薄膜及电池的制备方法简单，所组装电池的重现性高。在此，本专利技术提供一种体异质结钙钛矿薄膜，所述体异质结钙钛矿薄膜包括：体异质结层，所述体异质结层包括作为电子给体材料的钙钛矿多晶薄膜、和位于所述钙钛矿多晶薄膜的晶界位置的电子受体材料；以及位于所述体异质结层表面的钙钛矿薄膜层。本专利技术中的体异质结层电子抽取能力强，可以起到现有钙钛矿电池中的介孔电子传输层和钙钛矿吸光层的作用；同时，体异质结层的表面还具有钙钛矿薄膜层，例如当体异质结钙钛矿薄膜上形成有空穴传输层时，该钙钛矿薄膜层可以起到保护作用，防止体异质结层中的电子受体材料与空穴传输材料接触而导致短路。将本专利技术的体异质结钙钛矿薄膜应用于钙钛矿太阳能电池时，其可以取代现有的介孔电子传输层和钙钛矿吸光层，从而可以简化电池的结构，还可以避免独立介孔层制备过程中所需的高温烧结工艺，适于在塑性基底上制备高效率柔性钙钛矿太阳能电池。经测试，采用本专利技术的体异质结钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与现有的具有独立的介孔电子传输层和钙钛矿吸光层的钙钛矿电池相当，甚至其光电转换效率超过了17％。较佳地，体异质结层中，电子给体材料与电子受体材料的摩尔比为0.5～15：1。较佳地，所述钙钛矿多晶薄膜和/或所述钙钛矿薄膜层的化学组成为ABX3，其中，A为一价阳离子或混合阳离子，优选为CH3NH3+、NH2-CH＝NH2+、Cs+、Li+、C4H9NH3+、CH6N3+、Na+、K+中的至少一种；B为Pb2+、Sn2+、Ge2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Cu2+、Ni2+中的至少一种，即B可以是这些离子之一，也可以是这些离子中的任意两种以上的混合结构；X为Cl-、Br-、I-、SCN-、BF4-中的至少一种，即，X可以是单一离子，也可以是混合离子，例如任意两种以上离子的混合。例如ABX3为MAPbI3、FAPbI3、FA1-xCsxPbI3、CsxMAyFA1-x-yPbI3等，其中MA指CH3NH3+，FA指NH2-CH＝NH2+。较佳地，所述电子受体材料为纳米晶TiO2、纳米晶SnO2、纳米晶ZnO、富勒烯、富勒烯衍生物、苝酰亚胺、萘酰亚胺、基于拓展噻吩稠环的有机大分子受体材料、石墨烯、炭黑、石墨、纳米晶Fe2O3、纳米晶ZnSnO3、纳米晶CdS、纳米晶CdSe中的至少一种。较佳地，所述体异质结钙钛矿薄膜的厚度在100～700nm。本专利技术还提供一种上述体异质结钙钛矿薄膜的制备方法，包括：将第一钙钛矿前驱体溶液和电子受体材料混合得到钙钛矿/电子受体材料分散液；将所述钙钛矿/电子受体材料分散液涂覆在基底上，于其上再涂覆第二钙钛矿前驱体溶液，形成体异质结前驱体薄膜；将所述体异质结前驱体薄膜进行结晶处理，得到所述体异质结钙钛矿薄膜。本专利技术中，采用溶液法制备体异质结钙钛矿薄膜，该体异质结钙钛矿薄膜以钙钛矿材料为电子给体材料，电子受体材料位于钙钛矿多晶薄膜的晶界位置，并且在体异质结的表面形成致密钙钛矿薄膜层。纳米颗粒电子受体材料强的电子抽取能力使得其与钙钛矿晶粒共享电子态密度，并在钙钛矿晶界处起到钉扎效应，从而减少晶界处的缺陷引起的电荷复合。采用本专利技术的体异质结钙钛矿薄膜的电池结构不需要独立的介孔层，即可达到介孔型钙钛矿太阳能电池的性能，经测试，采用本专利技术的体异质结钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率超过了17％。而且，采用体异质结钙钛矿薄膜，还可以避免独立介孔层制备过程中所需的高温烧结工艺，适于在塑性基底上制备高效率柔性钙钛矿太阳能电池。并且该类型钙钛矿薄膜及电池的制备方法简单，所组装电池的重现性高，与传统钙钛矿薄膜相比，制备方法更加简单，薄膜质量更加容易控制，克服了传统结构工艺复杂且对钙钛矿薄膜的平整度要求较高的问题，适用于规模化生产应用。较佳地，第一钙钛矿前驱体溶液和/或第二钙钛矿前驱体溶液的制备包括：将B的卤化物溶液、X的一价阳离子盐、以及第一溶剂混合，形成钙钛矿前驱体溶液，其中，所述第一溶剂为拥有含氧基团溶剂，优选二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚砜(DMSO)、γ-丁内酯(GBL)、N-甲基-2-吡咯烷酮中的至少一种。较佳地，在所述体异质结前驱体薄膜的成膜过程中，还包括在适当时机在薄膜表面滴加第二溶剂的步骤，所述第二溶剂选自乙醚、正己烷、石油醚、甲苯、氯苯、二氯甲苯中的至少一种。较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种体异质结钙钛矿薄膜，其特征在于，所述体异质结钙钛矿薄膜包括：体异质结层，所述体异质结层包括作为电子给体材料的钙钛矿多晶薄膜、和位于所述钙钛矿多晶薄膜的晶界位置的电子受体材料；以及位于所述体异质结层表面的钙钛矿薄膜层。

【技术特征摘要】
1.一种体异质结钙钛矿薄膜，其特征在于，所述体异质结钙钛矿薄膜包括：体异质结层，所述体异质结层包括作为电子给体材料的钙钛矿多晶薄膜、和位于所述钙钛矿多晶薄膜的晶界位置的电子受体材料；以及位于所述体异质结层表面的钙钛矿薄膜层。2.根据权利要求1所述的体异质结钙钛矿薄膜，其特征在于，所述钙钛矿多晶薄膜和/或所述钙钛矿薄膜层的化学组成为ABX3，其中，A为一价阳离子或混合阳离子，优选为CH3NH3+、NH2-CH=NH2+、Cs+、Li+、C4H9NH3+、CH6N3+、Na+、K+中的至少一种；B为Pb2+、Sn2+、Ge2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Cu2+、Ni2+中的至少一种；X为Cl‒、Br‒、I‒、SCN-、BF4-中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的体异质结钙钛矿薄膜，其特征在于，所述电子受体材料为纳米晶TiO2、纳米晶SnO2、纳米晶ZnO、富勒烯、富勒烯衍生物、苝酰亚胺、萘酰亚胺、基于拓展噻吩稠环的有机大分子受体材料、石墨烯、炭黑、石墨、纳米晶Fe2O3、纳米晶ZnSnO3、纳米晶CdS、纳米晶CdSe中的至少一种。4.根据权利要求1至3中任一项所述的体异质结钙钛矿薄膜，其特征在于，所述体异质结钙钛矿薄膜的厚度在100～700nm。5.一种权利要求1至4中任一项所述的体异质结钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，包括：将第一钙钛矿前驱体溶液和电子受体...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨松旺，邵君，刘岩，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31