一种性能优异的钙钛矿太阳能电池制造技术

本发明专利技术公开了一种性能优异的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池包括依次层叠的透光／透明电极层、电子传输层、吸光层、电子吸收层和顶电极，其中：所述吸光层为具有钙钛矿结构的材料;所述电子吸收层是由富勒烯衍生物构成;所述顶电极由导电性能良好的材料构成。本发明专利技术有效地利用了钙钛矿材料的性能，将钙钛矿太阳能电池的光电转化效率提高到了17%以上，适于批量生产。

【技术实现步骤摘要】
一种性能优异的钙钛矿太阳能电池
本专利技术属于钙钛矿太阳能电池领域，特别是一种性能优异的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
随着经济的快速发展，人类对能源的需求与日俱增，能源与环境的问题已成为当今世界的焦点问题。世界的政治经济关系与这两个问题关系密切。当前，可持续、环境友好型能源备受关注，其中光伏产业发展迅猛。然而，当前的光伏产业主要以晶硅材料为主，存在着成本高的缺点，各国光伏产业都主要依靠政府补贴来推广。如果能够生产出低成本的太阳能电池，则会大大加速光伏产业的发展。近期，钙钛矿太阳能电池成为研究热点。中国专利技术专利CN103915567A公开了一种以无机化合物为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。其特点是它包括透明导电衬底和依次层叠于该衬底上的电子传输层、具有钙钛矿晶体结构的吸光层、无机化合物空穴传输层和正电极。该专利技术采用无机化合物作为空穴传输层优点是可提高钙钛矿太阳能电池性能的稳定性，延长太阳能电池的使用寿命。中国专利技术专利CN103746078A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依次层叠的衬底、透明电极、电子传输层、电子传输-吸光层、吸光层、空穴传输-吸光层、空穴传输层和顶电极，其中：所述吸光层为具有钙钛矿结构的光伏材料吸光层；所述电子传输-吸光层是电子传输材料和钙钛矿结构光伏材料嵌合形成的复合功能层；所述空穴传输-吸光层是空穴传输材料和钙钛矿结构光伏材料嵌合形成的复合功能层。该钙钛矿太阳能电池吸光层的两侧都具有一定的微纳结构，从而与其外侧的传输层之间能够形成材料相互嵌合的复合功能层，大幅提高吸光层与传输层的接触面积，有利于提高激子分离及电荷传输效率，从而抑制光生电子与空穴的复合，改善器件性能。该电池的转化率在9%以下。中国专利技术专利CN104134711A公开了一种钙钛矿太阳能电池及其溶液法制备方法。该钙钛矿太阳能电池包括依次层叠的衬底、透明电极、电子传输层、吸光层、空穴传输层和顶电极。其中吸光层为具有钙钛矿结构的光伏材料吸光层，其电子传输层、钙钛矿材料吸光层和空穴传输层均可在低温(200°C以下)的空气环境下实现溶液法制备，尤其是电子传输层不需要高温(450°C以上)处理或合成的纳米颗粒，有利于简化工艺流程，降低成本，提高电池的制备效率，便于实现规模化生产。该专利技术电池的转化光电效率低于低于11%。中国专利技术专利CN104795501A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由FTO透明导电玻璃衬底、电子传输层、吸光层、空穴传输层和金属电极组成，其吸光层为二维层状结构的钙钛矿材料，该专利技术采用旋涂法制备层状类钙钛矿吸光层，制备方法简单，成膜性能佳，所述吸光层材料随着层数的变化，其带隙可调，并且具有较好的化学稳定性，该材料在较高的空气湿度(50-80%)下暴露30天无化学分解，并仍然保持良好的层状结构，性能优异且稳定，不过其转化效率比较低。上述专利技术逐步将钙钛矿太阳能电池向产业化不断推进，不过，目前还不能大规模生产。其原因主要是当前的钙钛矿电池的转化效率还不够高，一般在15%以下。此外，由于当前钙钛矿电池对氧气敏感、缺陷较易形成，导致钙钛矿电池稳定性较差，寻找更高效率与稳定性的太阳能电池结构是人们一致努力的目标。
技术实现思路
：专利技术目的：为了充分利用钙钛矿材料的性质，制备可用于生产的钙钛矿太阳能电池，本专利技术提供了一种性能优异的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。采用本专利技术的电池材料及其结构，不仅成本低，而且能够大幅提高太阳能电池对光子的吸收及其转化效率与稳定性，从而改善器件性能。本专利技术的技术方案如下：
1)采用导电玻璃作为透光／透明电极层；2)制备得到电子传输层：采用蒸镀或气相沉积的方法在导电玻璃上制备硫化物层；厚度控制在10-50nm之间；3)制备吸光层：a.配制PbI2溶液，PbI2的浓度为0.5-3.0Mol/L，溶剂为二甲基甲酰胺；b.配制CH3NH3I溶液：浓度10mg/mL，溶剂为异丙醇；采用溶液法原位合成钙钛矿材料：先在电子传输层上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生长出钙钛矿材料，得到钙钛矿吸光层，然后在5个大气压的作用下进行压片处理；通过控制PbI2与CH3NH3I反应溶液的浓度、压片的压力，来控制钙钛矿的形貌与厚度，厚度控制在20-100nm之间；4）制备电子吸收层：采用富勒烯衍生物的氯苯溶液旋涂于吸光层，烘干，得到电子吸收层，控制溶液的浓度与涂布厚度，使电子吸收层的厚度在30-150nm之间；5）顶电极的制备：采用真空热蒸镀、喷涂、沉积等方法，在器件上表面蒸镀50-300nm的导电金属层或碳层。本专利技术的钙钛矿太阳能电池透光／透明电极层的材料为透明且能导电的材料组成，包括但不限于铟锡氧化物(ITO，IndiumTinOxides)、氟锡氧化物(FTO，fluorinedopedtinoxide)、铝锌氧化物(AZO，aluminium-dopedzincoxide)等常用的透明电极材料。电子传输层为硫化物；吸光层为具有钙钛矿结构的材料，所采用的钙钛矿结构光伏材料为ABX3型晶体结构的有机无机杂化钙钛矿。其中，B为铅、锡、锑，X为卤素元素。电子吸收层为富勒烯的衍生物，包含但不限于PCBM、PC71BM。顶电极为金属电极或导电碳材料电极，如银、金、铜、石墨、石墨烯等等。有益的效果：采用本专利技术的材料与结构，能够充分利用钙钛矿材料的性能，并挖掘其潜能，形成P－I－N异质结，充分吸收太阳光能并提高其转化率，其转化效率可达17%以上。本专利技术采用了纳米级独特的电子传输层－吸光层－电子吸收层，能够提升P－I－N异质结捕获－吸收光子的能力。本专利技术采用含纳米硫化物膜作为电子传输层，能够高效地传递钙钛矿材料因吸收的太阳能产生的电子。不过相对于氧化物而言，其成本略高。对钙钛矿进行压片处理，提高其密度，能够获得致密的无针孔电池层，从而对氧气具备更好的阻隔性，从而提高电池的稳定性。目前，钙钛矿电池在湿度为55%的环境中20天后转化效率一般衰减50%以上，而本专利技术的电池的衰减率不到10%。总体而言，本专利技术主要采用工业上成熟的涂布法，适合产业化生产大尺寸、高效率的太阳能电池的生产。然而，现有的钙钛矿太阳能电池尚未得到大面积可用于生产的样品，本专利技术解决了这一问题，所专利技术的技术适合于制备大面积、高效率、高稳定性的太阳能电池，其成本只有传统硅太阳能电池的三分之一。具体实施方式
下面通过结合实施例详细描述本专利技术的器件及其制备方法，但不构成对本专利技术的限制。实施例11）采用氟锡氧化物（FTO，fluorinedopedtinoxide）导电玻璃作为透光／透明电极层；2）采用物理气相沉积的方法，在FTO上制备硫化铬薄膜，厚度15纳米；3）制备吸光层：a.配制PbI2溶液，浓度为3.0Mol/L，溶剂为二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液：浓度5mg/mL，溶剂为异丙醇；采用溶液法原位合成钙钛矿材料：先在电子传输层上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生长出钙钛矿材料，得到钙钛矿吸光层；然后在5个大气压的作用下进行压片处理；厚度53nm；4）制备电子吸收层采用PCBM的氯苯溶液旋涂于吸光层之上，烘干，得到厚度135nm的电子吸收层；5）顶电极的制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该电池包括依次层叠的透光／透明电极层、电子传输层、吸光层、电子吸收层和顶电极，其中： 所述电子传输层由硫化物组成；所述吸光层为具有钙钛矿结构的材料;所述电子吸收层是由富勒烯衍生物构成;所述顶电极由导电性能良好的材料构成。

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该电池包括依次层叠的透光／透明电极层、电子传输层、吸光层、电子吸收层和顶电极，其中：所述电子传输层由硫化物组成；所述吸光层为具有钙钛矿结构的材料;所述电子吸收层是由富勒烯衍生物构成;所述顶电极由导电性能良好的材料构成。2.一种如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层为三元氧化物，由Ti、Nb、O三种元素构成，且Nb／Ti的摩尔比介于1：30与1：10之间；所述电子传输层厚度在10-50nm之间，所述吸光层厚度在20-100nm之间，所述电子吸收层厚度在30-150nm之间，所述顶电极厚度在50-300nm之间。3.一种如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其制备方法包含以下步骤：1）采用导电玻璃作为透光／透明电极层；
2）制备得到电子传输层：采用蒸镀或气相沉积的方法在导电玻璃上制备硫化物；厚度控制在10-50nm之间；3）制备吸光层：a.配制PbI2溶液，PbI2的浓度为0.5-3.0Mol/L，溶剂为二甲基甲酰胺；b.配制CH3NH3I溶液：浓度5-10mg/mL，溶剂为异丙醇；采用溶液法原位合成钙钛矿材料：先在电子传输层上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生长出钙钛矿材料，得到钙钛矿吸光层，最后在5个大...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：镇江皮埃纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32