一种具有双层钙钛矿薄膜结构的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具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)选取导电衬底并刻蚀图案获取刻蚀的导电衬底；(2)制备电子传输层或空穴传输层；(3)制备具有双层钙钛矿结构的薄膜；(4)制备空穴传输层或电子传输层；(5)在空穴传输层或电子传输层上热镀金或银电极，获得具有双层钙钛矿薄膜结构的n‑i‑p型或p‑i‑n型太阳能电池；本发明专利技术还公开了采用上述方法制备获得的太阳能电池，该制备方法绿色环保，可以改善钙钛矿薄膜形貌和结晶性以及界面，并增强器件的光电性能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于太阳能电池领域，具体涉及一种具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
随着化石燃料的日益枯竭，发展清洁能源是人类实行可持续发展的必然手段。太阳能电池通过将源源不断的太阳能转化成电能，提供取之不尽用之不竭的清洁能源，是寻求可持续发展的重要对策。目前商业化的电池主要是以硅太阳能电池及其化合物太阳能电池为主导，材料成本和制备成本较高，制约了它的发展，因此低成本、制备工艺简单的新型太阳能电池成为各国竞相研究的焦点。尤其是钙钛矿太阳能电池成本低廉，制备工艺简单，2009年，日本的Miyasaka等人首次引用有机无机混合钙钛矿材料MAPbI3和MAPbBr3作为染料敏化剂用于燃料敏化太阳能电池，大大提高了器件的性能。从此这种有机无机混合钙钛矿材料受到广泛的关注。在短短的几年内，钙钛矿太阳能电池技术取得突飞猛进的发展，效率从3.8％急剧上升到22％，远远超过了有机太阳能电池(OPV)、染料敏化太阳能电池(DSSC)和量子点太阳能电池，达到了目前比较成熟的CuInGaSe薄膜太阳能电池水平，然而核心材料的成本大大较低，操作工艺十分简单，成为第三代新型薄膜太阳能电池中最具潜力的一颗星。目前，制备钙钛矿太阳能电池的方法主要有，一步液相旋凃法，两步液相序列沉积法，气相辅助液相法和双源气相法。其中两步液相序列沉积法和气相蒸镀法制备的钙钛矿薄膜致密度和平整性更好，从而获得更高效的钙钛矿太阳能电池，但是制备工艺相对复杂，对设备要求更高，不易实现工业化生产，因此一步法呈现了相当大的前景。在2014年以后，采用溶剂工程使得一步液相法的覆盖率、结晶性得到改善，在旋凃过程中采用甲苯作为溶剂引诱。然而甲苯毒性大，对人体和环境造成极大地影响，因此采用绿色溶剂改善薄膜形貌和结晶性是一种可取的手段。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法，该制备方法在旋涂钙钛矿溶液时通过加入乙酸乙酯，可以改善钙钛矿薄膜形貌和结晶性以及界面，并增强器件的光电性能，同时乙酸乙酯毒性低，沸点相对较低更容易促进中间相的挥发，绿色环保。本专利技术的目的还在于提供采用上述制备方法制备获得的具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池。本专利技术的上述第一个目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)选取导电衬底并刻蚀图案，清洗后获得已刻蚀的导电基底；(2)将步骤(1)中的已刻蚀的导电基底，采用等离子处理后，再采用旋涂法沉积无机氧化物半导体电子传输材料，退火后获得电子传输层；或将已刻蚀的导电基底，采用等离子处理后，再采用旋涂法沉积聚合物半导体空穴传输材料，退火后获得空穴传输层；(3)制备钙钛矿前驱溶液，在步骤(2)的电子传输层上旋涂钙钛矿前驱溶液，在旋涂过程中加入乙酸乙酯，旋涂后退火，冷却后得到具有双层钙钛矿结构的薄膜；或在步骤(2)的空穴传输层上旋涂钙钛矿前驱溶液，在旋涂过程中加入乙酸乙酯，旋涂后退火，冷却后得到具有双层钙钛矿结构的薄膜；(4)在步骤(3)得到的具有双层钙钛矿结构的薄膜上旋涂有机空穴传输层溶液，获得空穴传输层；或在步骤(3)得到的具有双层钙钛矿结构的薄膜上旋涂富勒烯衍生物电子传输层溶液，获得电子传输层；(5)在步骤(4)获得的空穴传输层上热镀金或银电极，获得具有双层钙钛矿薄膜结构的n-i-p型太阳能电池；或在步骤(4)获得的电子传输层上热蒸镀金或银电极，获得具有双层钙钛矿薄膜结构的p-i-n型太阳能电池。即本专利技术中的具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法，具有两种优选的实施方案，其中方案一优选包括以下步骤：(1)选取导电衬底并刻蚀图案，清洗后获得已刻蚀的导电基底；(2)将步骤(1)中的已刻蚀的导电基底，采用等离子处理后，再采用旋涂法沉积无机氧化物半导体电子传输材料，退火后获得电子传输层；(3)制备钙钛矿前驱溶液，,在步骤(2)的电子传输层上旋涂钙钛矿前驱溶液，在旋涂过程中加入乙酸乙酯，旋涂后退火，冷却后得到具有双层钙钛矿结构的薄膜；(4)在步骤(4)得到的具有双层钙钛矿结构的薄膜上旋涂有机空穴传输层溶液，获得空穴传输层；(5)在步骤(4)获得的空穴传输层上热镀金或银电极，获得具有双层钙钛矿薄膜结构的n-i-p型太阳能电池。方案二中的具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法，优选包括以下步骤：(1)选取导电衬底并刻蚀图案，清洗后获得已刻蚀的导电基底；(2)将已刻蚀的导电基底，采用等离子处理后，再采用旋涂法沉积聚合物半导体空穴传输材料，退火后获得空穴传输层；(3)制备钙钛矿前驱溶液，在步骤(2)的空穴传输层上旋涂钙钛矿前驱溶液，在旋涂过程中加入乙酸乙酯，旋涂后退火，冷却后得到具有双层钙钛矿结构的薄膜；(4)在步骤(3)得到的具有双层钙钛矿结构的薄膜上旋涂富勒烯衍生物电子传输层溶液，获得电子传输层；(5)在步骤(4)获得的电子传输层上热蒸镀金或银电极，获得具有双层钙钛矿薄膜结构的p-i-n型太阳能电池。作为方案一的改进：本专利技术提供的具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)选取导电衬底并刻蚀图案，清洗后获得已刻蚀的导电基底；(2)将步骤(1)中已刻蚀的导电基底，采用等离子处理后，再采用旋涂法沉积电子传输材料，退火后获得电子传输层；(2＇)步骤(2)的电子传输层上旋涂介孔材料，退火后在电子传输层上获得介孔层；(3)制备钙钛矿前驱溶液，在步骤(2＇)的介孔层上旋涂钙钛矿前驱溶液，在旋涂过程中加入乙酸乙酯，旋涂后退火，冷却后得到具有双层钙钛矿结构的薄膜；(4)在步骤(3)的双层钙钛矿结构的薄膜上旋涂空穴传输层溶液，获得空穴传输层；(5)在步骤(4)的空穴传输层上热镀金或银电极，即获得具有双层钙钛矿薄膜结构的n-i-p型介孔太阳能电池。在上述具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法中：步骤(1)中所述的导电衬底优选为FTO玻璃、ITO玻璃或ITO/PET衬底。上述衬底使用前先清洗，清洗步骤优选为依次用常规洗涤剂水溶液、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗20min。在采用方案一及其改进方案时：步骤(2)中采用旋涂法沉积无机氧化物半导体电子传输材料时，旋涂转速优选为1000～3000rpm/min，旋涂时间优选为20～60s，旋涂厚度优选为20～50nm，退火温度优选为450～550℃，退火时间优选为10～90min。步骤(2)中所述无机氧化物半导体电子传输材料优选为TiO2的溶胶凝胶，所述TiO2的溶胶凝胶优选是质量百分含量为70～80％的二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的异丙醇溶液，使用时采用正丁醇稀释处理，其中质量百分含量为70～80％的二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的异丙醇溶液与正丁醇的质量比为1：5～15，使用前优选将二者超声20min分散均匀。步骤(4)中所述的有机空穴传输层溶液为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-OMeTAD)、4-叔丁基吡啶以及双三氟甲烷磺酰亚胺锂的乙腈溶液的氯苯溶液，其中2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴的浓度为58～70mM/L，4-叔丁基吡啶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法，其特征是包括以下步骤：(1)选取导电衬底并刻蚀图案，清洗后获得已刻蚀的导电基底；(2)将步骤(1)中的已刻蚀的导电基底，采用等离子处理后，再采用旋涂法沉积无机氧化物半导体电子传输材料，退火后获得电子传输层；或将已刻蚀的导电基底，采用等离子处理后，再采用旋涂法沉积聚合物半导体空穴传输材料，退火后获得空穴传输层；(3)制备钙钛矿前驱溶液，在步骤(2)的电子传输层上旋涂钙钛矿前驱溶液，在旋涂过程中加入乙酸乙酯，旋涂后退火，冷却后得到具有双层钙钛矿结构的薄膜；或在步骤(2)的空穴传输层上旋涂钙钛矿前驱溶液，在旋涂过程中加入乙酸乙酯，旋涂后退火，冷却后得到具有双层钙钛矿结构的薄膜；(4)在步骤(3)得到的具有双层钙钛矿结构的薄膜上旋涂有机空穴传输层溶液，获得空穴传输层；或在步骤(3)得到的具有双层钙钛矿结构的薄膜上旋涂富勒烯衍生物电子传输层溶液，获得电子传输层；(5)在步骤(4)获得的空穴传输层上热镀金或银电极，获得具有双层钙钛矿薄膜结构的n‑i‑p型太阳能电池；或在步骤(5)获得的电子传输层上热蒸镀金或银电极，获得具有双层钙钛矿薄膜结构的p‑i‑n型太阳能电池。...

【技术特征摘要】
1.一种具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法，其特征是包括以下步骤：(1)选取导电衬底并刻蚀图案，清洗后获得已刻蚀的导电基底；(2)将步骤(1)中的已刻蚀的导电基底，采用等离子处理后，再采用旋涂法沉积无机氧化物半导体电子传输材料，退火后获得电子传输层；或将已刻蚀的导电基底，采用等离子处理后，再采用旋涂法沉积聚合物半导体空穴传输材料，退火后获得空穴传输层；(3)制备钙钛矿前驱溶液，在步骤(2)的电子传输层上旋涂钙钛矿前驱溶液，在旋涂过程中加入乙酸乙酯，旋涂后退火，冷却后得到具有双层钙钛矿结构的薄膜；或在步骤(2)的空穴传输层上旋涂钙钛矿前驱溶液，在旋涂过程中加入乙酸乙酯，旋涂后退火，冷却后得到具有双层钙钛矿结构的薄膜；(4)在步骤(3)得到的具有双层钙钛矿结构的薄膜上旋涂有机空穴传输层溶液，获得空穴传输层；或在步骤(3)得到的具有双层钙钛矿结构的薄膜上旋涂富勒烯衍生物电子传输层溶液，获得电子传输层；(5)在步骤(4)获得的空穴传输层上热镀金或银电极，获得具有双层钙钛矿薄膜结构的n-i-p型太阳能电池；或在步骤(5)获得的电子传输层上热蒸镀金或银电极，获得具有双层钙钛矿薄膜结构的p-i-n型太阳能电池。2.根据权利要求1所述的具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法，其特征是包括以下步骤：(1)选取导电衬底并刻蚀图案，清洗后获得已刻蚀的导电基底；(2)将步骤(1)中已刻蚀的导电基底，采用等离子处理后，再采用旋涂法沉积电子传输材料，退火后获得电子传输层；(2＇)步骤(2)的电子传输层上旋涂介孔材料，退火后在电子传输层上获得介孔层；(3)制备钙钛矿前驱溶液，在步骤(2＇)的介孔层上旋涂钙钛矿前驱溶液，在旋涂过程中加入乙酸乙酯，旋涂后退火，冷却后得到具有双层钙钛矿结构的薄膜；(4)在步骤(3)的双层钙钛矿结构的薄膜上旋涂空穴传输层溶液，获得空穴传输层；(5)在步骤(4)的空穴传输层上热镀金或银电极，即获得具有双层钙钛矿薄膜结构的n-i-p型介孔太阳能电池。3.根据权利要求1或2所述的具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(1)中所述的导电衬底为FTO玻璃、ITO玻璃或ITO/PET衬底。4.根据权利要求1或2所述的具有双层钙钛矿薄膜结构的太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(2)中采用旋涂法沉积无机氧化物半导体电子传输材料时，旋涂转速为1000～3000rpm/min，旋涂时间为20～60s，旋涂厚度为20～50nm，退火温度为450～550℃，退火时间为10～90min；步骤(2)中所述无机氧化物半导体电子传输材料为TiO2的溶胶凝胶，所述TiO2的溶胶凝胶是质量百分含量为70～80％的二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的异丙醇溶液，使用时采用正丁醇稀释处理，其中质量百分含量为70～80％的二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的异丙醇溶液与正丁醇的质量比为1：5～15；步骤(4)中所述的有机空穴传输层溶液为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、4-叔丁基吡啶以及双三氟甲烷磺酰亚胺锂乙腈溶液的氯苯溶液，其中2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)...

【专利技术属性】
技术研发人员：高进伟，张文辉，丁阳，凌桂林，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44