一种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钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该钙钛矿太阳能电池包括透明导电衬底，空穴传输层，修饰层，钙钛矿层，电子传输层，阻挡层以及金属电极。本发明专利技术用基于咪唑类的离子液体对PEDOT:PSS,NiO

Perovskite solar cell and preparation method thereof

The invention discloses a perovskite solar cell and a preparation method of the perovskite solar cell includes a transparent conductive substrate, a hole transport layer, buffer layer, perovskite layer, electron transport layer, a barrier layer and a metal electrode. The present invention relates to an imidazole based ionic liquid for PEDOT:PSS, NiO

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及太阳能电池
，具体说是一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。技术背景迄今为止，已经报道的钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已经达到22.1%。作为第三代太阳能电池，钙钛矿太阳能电池以及较高的光电转化效率以及低成本易制备的特点，受到越来越多人的关注。然而现在各种高效率的钙钛矿太阳能电池大都是基于TiO2作为电子传输层的正置结构电池，而这一材料需要经过400ºC以上的高温烧结，并且电池器件会产生明显的迟滞效应，这极大地限制了柔性钙钛矿太阳能电池的应用前景，并且在制备钙钛矿薄膜时，经常用到对环境有毒的氯苯，甲苯等有害溶剂处理钙钛矿薄膜表面，这些都极大地阻碍了钙钛矿太阳能电池的商业化发展。目前取得的高效率钙钛矿太阳能电池大都基于高纯度进口碘化铅作为铅源，之后用FAI,PbBr2,MAI对它不断进行各种比例掺杂优化，这类铅源及掺杂物材料往往都比较贵，并且在制备碘化铅作为铅源的钙钛矿薄膜时，不管是像类似于FTO/TiO2/Perovskite/Spiro-Ometad/Au正置结构，还是类似于ITO/HTM/Perovskite/ETM/Au倒置结构，大都要使用反溶剂法处理，即大量使用对环境有害的氯苯，甲苯等溶剂对钙钛矿表面进行清洗。这不管是在成本上，还是对环境保护方面来说，这都极大限制了钙钛矿太阳能电池的发展。
技术实现思路
本专利技术目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种成本较低更环保的高效率钙钛矿太阳能电池。本专利技术的另一个目的是在于提供制备工艺简单，具有很高的实用价值的成本低廉可用于柔性衬底的高效率钙钛矿太阳能电池的制备方法。为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：该钙钛矿太阳能电池具有阴极透明导电衬底，空穴传输层，离子液体修饰层钙钛矿吸光层，电子传输层，阻挡层以及金属电极。透明导电衬底包括FTO,ITO,ITO-PEN,ITO-PET等玻璃和柔性导电基底，空穴传输层包括PEDOT:PSS,NiOx，空穴修饰层包括1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐，1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓，1-乙基-3-甲基溴化咪唑鎓，1-乙基-3-甲基碘化咪唑鎓。钙钛矿层的制备是采用一种新的钙钛矿材料3MAI：PbAc2·xH2O(0≤x≤3)制备，基于含不同的结晶水乙酸铅（PbAc2·xH2O）与甲胺碘(MAI)以摩尔比1:3溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）配制成质量分数30%-50%钙钛矿前躯体溶液，在低温下（<100ºC），通过对基板的快速预热和钙钛矿前躯体溶液的加热即热辅助旋涂技术制备钙钛矿层。电子传输层是通过PC61BM的氯苯溶液（20mg/ml）通过旋涂制备，阻挡层主要是BCP(0.1-0.6mg/ml溶解在异丙醇中)旋涂法获得，至于金属电极主要是金和银在真空度<10-5pa条件下通过热蒸发真空蒸镀制备。进一步的设计方案中，空穴传输层40-70nm，离子液体修饰层5-10nm,钙钛矿吸光层200-500nm，电子传输层30-60nm，阻挡层BCP5-10nm,金属电极80-120nm。更进一步的的设计方案中，所述的钙钛矿吸光层采用新的钙钛矿材料PbAc2·xH2O：3CH3NH2I溶液旋涂而成，其中结晶水的比例0≤x≤3，在低温下（<100ºC），通过对基板的快速预热和钙钛矿前躯体溶液的加热即热辅助旋涂技术制备钙钛矿层，其中基板在90ºC预热5min，钙钛矿前躯体溶液在60-80ºC预热5-10min。之后90ºC退火10min，最终获得高质量的钙钛矿吸光层（厚度200-500nm）。上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括具体以下步骤。(1)刻蚀透明电极导电层：使用波长为1000纳米的红外激光器在透明电极上刻蚀一条绝缘带，使得电极基板上形成互不导通的正极区域和负极区域。(2)空穴传输层的制备：1）NiOx前躯体的配制：准确配制草酸镍（Ni（C2O4）3·6H2O）的乙醇溶液0.4mol/L,之后加入磁子70ºC密封搅拌12小时备用；PEDOT:PSS前躯体的配制：PEDOT:PSS水溶液(PVPAl4083)是通过直接购买得到。在前躯体溶液配制好后，将之前刻蚀好的透明导电衬底在紫外处理仪器中放置15min，待基板冷却后，将配制好的前躯体溶液通过旋涂的方法完整的覆盖住透明电极基板上，之后140ºC退火20min，形成空穴传输层（40-70nm）。（3）离子液体修饰层：之后在空穴传输层上旋涂质量浓度为0.01-0.05mg/ml的离子液体，130ºC退火15min，最终得到离子液体修饰层(厚度5-10nm)。(4)钙钛矿吸光层的制备：首先将买来的三水合乙酸铅（纯度99.99%）经过在手套箱中100ºC加热12小时除掉水，获得无水乙酸铅，之后将无水乙酸铅与三水合乙酸铅按一定比例配制，最终得到不同比例的结晶水乙酸铅PbAc2·xH2O(0≤x≤3)。将含不同的结晶水乙酸铅PbAc2·xH2O(0≤x≤3)与甲胺碘(MAI)以摩尔比1:3溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）配制成质量分数30%-50%钙钛矿溶液，在低温下（<100ºC），通过对基板的快速预热和钙钛矿前躯体溶液的加热即热辅助旋涂技术（HASP）制备钙钛矿层，其中基板在90ºC预热5min，钙钛矿前躯体溶液在60-80ºC预热5-10min。一步法旋涂之后90ºC退火10min，最终获得高质量的钙钛矿吸光层（厚度200-500nm）。(5)电子传输层的制备：电子传输层是通过PC61BM（20mg/ml溶解在氯苯中）旋涂法制备(厚度30-60nm)。(6)阻挡层的制备：阻挡层主要是BCP(0.1-0.6mg/ml溶解在异丙醇中)通过旋涂法获得(厚度5-10nm)。(7)蒸镀金属电极：金属电极主要是Au和Ag，在真空度<10-5pa条件下通过热蒸发真空蒸镀制备(厚度80-120nm)。步骤2，3,4，5，6中的操作均在旋涂仪上进行。本专利技术中最终的有效面积0.1cm2导电玻璃基底的电池器件的光电转化效率>19.1%,2cm2的导电玻璃基底电池器件效率>11.8%,同时基于ITO-PEN衬底的0.1cm2柔性电池器件光电转化效率为10.8%。本专利技术具有以下突出的有益效果：本专利技术用基于咪唑类的四种离子液体对PEDOT:PSS,NiOx等空穴传输层表面进行修饰，对比修饰前后的原子力显微镜（AFM）扫描图，修饰后的PEDOT:PSS，NiOx表面形貌得到明显改善，更加平滑，这有益于空穴的传输以及抑制暗电流的复合，进一步提高电池光电转化效率。本专利技术中的钙钛矿层的制备是采用一种新的钙钛矿材料3MAI：PbAc2·xH2O(0≤x≤3)制备，相比高纯度进口碘化铅，乙酸铅的价格成本是它的1/30，并且在低温下（<100ºC）通过对基板的快速预热和钙钛矿前躯体溶液的加热即热辅助旋涂技术(HASP)制备钙钛矿层。传统的反溶剂法制备钙钛矿，常常需要用到对环境有毒的氯苯，甲苯等有害溶剂在旋涂钙钛矿过程中进行滴加处理，而基于新的钙钛矿材料3MAI：PbAc2·xH2O(0≤x≤3)采用热辅助旋涂技术，避免了氯苯，甲苯等有害溶剂对钙钛矿的处理，这一制备方法更环保，最重要的是利用这种方法在旋涂过程中可以加速除掉一些本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于：该太阳能电池结构从下到上依次为阴极透明导电衬底，空穴传输层，离子液体修饰层，钙钛矿吸光层，电子传输层，阻挡层以及金属对电极。

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于：该太阳能电池结构从下到上依次为阴极透明导电衬底，空穴传输层，离子液体修饰层，钙钛矿吸光层，电子传输层，阻挡层以及金属对电极。2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：阴极透明导电衬底包括FTO,ITO,ITO-PEN,ITO-PET等玻璃和柔性导电基底，空穴传输层为PEDOT:PSS，NiOx，。离子液体修饰层包括1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐，1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓，1-乙基-3-甲基溴化咪唑鎓，1-乙基-3-甲基碘化咪唑鎓。钙钛矿层的制备是采用一种新的钙钛矿材料3MAI：PbAc2·xH2O(0≤x≤3)制备，基于含不同的结晶水乙酸铅（PbAc2·xH2O）与甲胺碘(MAI)以摩尔比1:3溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）配制成质量分数30%-50%钙钛矿前躯体溶液，在低温下（<100ºC），通过对基板的快速预热和钙钛矿前躯体溶液的加热即热辅助旋涂技术制备钙钛矿层。电子传输层是通过PC61BM的氯苯溶液通过旋涂制备，阻挡层主要是BCP(0.1-0.6mg/ml溶解在异丙醇中)旋涂法获得，至于对电极主要是金和银通过热蒸发真空蒸镀制备。3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：空穴传输层40-70nm，离子液体修饰层5-10nm,钙钛矿吸光层200-500nm，电子传输层30-60nm，阻挡层BCP5-10nm,金属对电极80-120nm。4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：钙钛矿层的制备是采用一种新的钙钛矿材料3MAI：PbAc2·xH2O制备，其中0≤x≤3，基于含不同的结晶水乙酸铅（PbAc2·xH2O）与甲胺碘(MAI)以摩尔比1:3溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）配制成质量分数30%-50%钙钛矿前躯体溶液，在低温下（<100ºC），通过对基板的快速预热和钙钛矿前躯体溶液的加热即热辅助旋涂技术（HASP）制备钙钛矿层，其中基板在90ºC预热5min，钙钛矿前躯体溶液在60-80ºC预热5-10min。5.权利要求1-4任一权利要求中所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)刻蚀透明电极导电层：使用波长为1000纳米的红外激光器在透明电...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘春跃，周贤勇，徐保民，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43