钙钛矿薄膜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薄膜太阳能电池，其包括阴极、钙钛矿吸光层和阳极，所述阳极与钙钛矿吸光层之间还设有电极界面修饰层，所述电极界面修饰层包含能与所述钙钛矿吸光层反应而促进钙钛矿晶体结晶性的原子和/或离子，并且所述电极界面修饰层还用以改善所述阳极的表面粗糙度和形貌。本发明专利技术还公开了所述钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法。本发明专利技术通过在钙钛矿薄膜太阳能电池的结构中设置电极界面修饰层，可以有效提升器件的性能和可重现性，且其制备工艺简单可控，原料廉价易得，适于大面积柔性制备钙钛矿太阳能器件。

【技术实现步骤摘要】
钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及一种钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法，属于光电功能材料及器件

技术介绍
近几年来，有机无机杂化的钙钛矿太阳能电子因其具有可溶液性，低消耗和较高的器件效率引起大家的广泛关注。特别是器件的效率方面，单结的钙钛矿太阳能电池器件效率到目前已经超过了20％。随着器件效率的提升，器件的结构也在逐步演变，从和染料敏化电池结构类似的介孔结构，到具有致密电子传输层的平面异质结结构和后来的反式平面异质结结构。其中，反式平面异质结结构和有机太阳能结构相类似，具有可溶液化，工艺简单等优点，从而被大家广泛应用于实验室研究。反式的平面异质结结构中包括透明电极，空穴传输层和钙钛矿吸光层以及上层的电子传输层，最上层为Al电极。这种器件结构简单，可以全溶液法制备，煺火温度低于120℃，对全溶液法大面积印刷工艺来讲具有潜在的应用前景，并且其效率也达到了15％以上，具有潜在的商业应用价值。目前，影响钙钛矿器件商业化的一个重要原因是钙钛矿器件的稳定性和可重复性。在实验室制备反式平面器件的过程中发现，除去钙钛矿材料吸光层是影响电池效率的一大方面外，钙钛矿的空穴传输层对器件的效率和电池的稳定性也有很大的影响。在反式的平面异质结器件结构中，常用3,4-乙撑二氧噻吩聚合物-聚苯乙烯磺酸盐PEDOT:PSS作为空穴传输层，它是商业化广泛使用的一类材料。但在实验过程中发现，这种空穴传输材料在空气中制备时，空气湿度对器件效率的影响明显，统计数据表明高效的器件重复性很差。利用无机材料代替上述空穴材料可以改善器件的重复性和稳定性，但该方案中器件的光电转换效率不高。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法，以克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种钙钛矿薄膜太阳能电池，包括沿设定方向依次设置的阴极、钙钛矿吸光层和阳极，所述阳极与钙钛矿吸光层之间还设有电极界面修饰层，用以改善所述阳极的表面粗糙度和形貌，并促进所述钙钛矿吸光层内钙钛矿晶体的结晶性。在一些实施方案中，所述阳极与电极界面修饰层之间设有空穴传输层。在一些实施方案中，所述电极界面修饰层的材质包括离子型聚合物材料，例如可选自含有羧基、磺酸基、磷酸基单元中的至少一种的聚合物、所述聚合物的衍生物、所述聚合物的有机或无机盐，且不限于此。本专利技术实施例还提供了一种制备所述钙钛矿薄膜太阳能电池的方法，其包括：(1)提供阳极，并在所述阳极上制备形成电极界面修饰层；(2)在所述电极界面修饰层上制备形成钙钛矿吸光层；(3)在所述钙钛矿吸光层上设置阴极。在一些实施方案中，所述的制备方法可以包括：采用印刷或涂布方式将电极界面修饰材料沉积在所述阳极上而形成所述电极界面修饰层。在一些实施方案中，所述的制备方法还可以包括：在保护性气氛或空气中对制备形成的电极界面修饰层进行煺火处理，煺火温度为110-150℃，优选为120-135℃，煺火时间为5-20分钟，优选为8-12分钟。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：(1)通过在钙钛矿吸光层与电极或者空穴传输层与钙钛矿吸光层的界面之间设置电极界面修饰层，修饰层材料中的磺酸基团和钙钛矿吸光层中的前驱液中的甲胺基团或金属离子反应，形成小而密的结晶位点，诱导结晶过程减少结晶缺陷，从而促进钙钛矿吸光层的晶体生长，提高了器件的性能和可重现性；(2)采用的电极界面修饰材料可选用廉价易得的离子聚合物材料，材料的可溶性和可控性较好，可使用简单的印刷、旋涂工艺而于电极或空穴传输层表面形成电极界面修饰层，整个过程无需高温煺火，保证了整个器件的低温、可溶液法制作，适于大面积柔性制备钙钛矿太阳能器件电极界面修饰层煺火。附图说明图1是本专利技术一典型实施方案中一种钙钛矿太阳能电池的结构示意图；图2a-图2c是本专利技术实施例1中的PEDOT:PSS薄膜、PEDOT:PSS空穴传输层被溶剂水修饰后以及PEDOT:PSS空穴传输层被聚合物PSS钠盐修饰后的表面形貌的AFM图；图3是本专利技术实施例1中的PEDOT:PSS空穴传输层被溶剂水、聚合物PSS钠盐和对比样的吸收图；图4a-图4c是本专利技术实施例1中的钙钛矿薄膜，下层空穴传输层被溶剂水处理后的钙钛矿薄膜以及下层空穴传输层有聚合物修饰的钙钛矿的表面形貌的SEM图；图5是本专利技术实施例1中的钙钛矿太阳能电池(如下简称钙钛矿器件)的J-V曲线图；图6是本专利技术实施例1中的钙钛矿器件的重复性稳定性对比；图7是本专利技术实施例2中的钙钛矿器件的J-V曲线图；图8是本专利技术实施例3中的钙钛矿器件的J-V曲线图；图9是本专利技术实施例4中的钙钛矿器件的J-V曲线图；图10是本专利技术实施例5中的钙钛矿器件的J-V曲线图；图11是本专利技术实施例6中的钙钛矿器件的J-V曲线图。图12是本专利技术实施例7中的钙钛矿器件的J-V曲线图。附图标记说明：1-阴极；2-电子传输；3-钙钛矿吸光层；4-电极界面修饰层；5-阳极；6-基底。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术实施例的一个方面提供了一种钙钛矿薄膜太阳能电池，包括沿设定方向依次设置的阴极、钙钛矿吸光层和阳极，所述阳极与钙钛矿吸光层之间还设有电极界面修饰层，用以改善所述阳极的表面粗糙度和形貌，并促进所述钙钛矿吸光层内钙钛矿晶体的结晶性。进一步的，藉由所述电极界面修饰层可以将所述阳极的粗糙度控制于Ra＜1.0(亦可认为是所述电极界面修饰层与阳极形成的复合层的表面粗糙度为0.5～1.0，表面更加平整)，以及相分离较为明显的表面形貌。进一步的，本专利技术采用的电极界面修饰材料能够通过与钙钛矿半导体材料中的金属离子或甲胺基团进行配位，从而诱导钙钛矿晶体的生长，有效提高钙钛矿晶体的生长质量。进一步的，所述电极界面修饰层内包含有能与所述钙钛矿吸光层反应而促进钙钛矿晶体结晶性的原子和/或离子。进一步的，所述阴极与钙钛矿吸光层之间还设有电子传输层。其中，所述电子传输层的材质包括聚合物和/或氧化物，例如，所述聚合物包括PCBM，所述氧化物包括ZnO，但均不限于此。进一步的，所述阳极与钙钛矿吸光层之间设有电极界面修饰层，所述阳极与电极界面修饰层之间设有空穴传输层。进一步的，所述电极界面修饰层包含有能够阻挡空穴传输材料对所述钙钛矿吸光层腐蚀的原子和/或离子。进一步的，所述电极界面修饰层的材质包括离子型聚合物材料，例如可选自含有羧基、磺酸基、磷酸基单元中的至少一种的聚合物、所述聚合物的衍生物、所述聚合物的有机或无机盐，且不限于此。优选的，所述电极界面修饰层的材质选自含有磺酸基的聚合物、所述聚合物的衍生物、所述聚合物的有机或无机盐。优选的，所述电极界面修饰层的材质选自聚乙烯磺酸、聚乙烯磺酸的衍生物、聚乙烯磺酸的有机或无机盐。其中，所述的有机盐包括有机铵盐，而所述的无机盐包括钾盐、钠盐或铵盐，但不限于此。进一步的，所述电极界面修饰层的厚度为5-100nm，优选为15-55nm。进一步的，所述电子传输层的厚度为30-60nm。进一步的，所述阴极选自金属电极，例如，所述电极阴极可为金、银和铝等金属电极，可使用真空热蒸镀法制备。为了测试方便，所述阴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钙钛矿薄膜太阳能电池，包括沿设定方向依次设置的阴极、钙钛矿吸光层和阳极，其特征在于：所述阳极与钙钛矿吸光层之间还设有电极界面修饰层，所述电极界面修饰层包含能与所述钙钛矿吸光层反应而促进钙钛矿晶体结晶性的原子和/或离子，并且所述电极界面修饰层还用以改善所述阳极的表面粗糙度和形貌。

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿薄膜太阳能电池，包括沿设定方向依次设置的阴极、钙钛矿吸光层和阳极，其特征在于：所述阳极与钙钛矿吸光层之间还设有电极界面修饰层，所述电极界面修饰层包含能与所述钙钛矿吸光层反应而促进钙钛矿晶体结晶性的原子和/或离子，并且所述电极界面修饰层还用以改善所述阳极的表面粗糙度和形貌。2.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阴极与钙钛矿吸光层之间还设有电子传输层；优选的，所述电子传输层的材质包括聚合物和/或氧化物，所述聚合物包括PCBM，所述氧化物包括ZnO；优选的，所述电子传输层的厚度为30-60nm；和/或，所述阴极选自金属电极；优选的，所述阴极的厚度为80-100nm；和/或，所述阳极的材质选自透明导电材料，所述透明导电材料包括氧化铟锡、掺氟氧化锡、Ag网格透明导电膜中的任意一种；和/或，所述钙钛矿吸光层的材质选自CH3NH3PbX，其中X包括Cl，Br，I中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述钙钛矿吸光层的厚度为200-500nm。3.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阳极与电极界面修饰层之间设有空穴传输层；其中，所述空穴传输层的材质包括有机或无机半导体材料，所述有机半导体材料包括P3CT-Na、3,4-乙撑二氧噻吩聚合物-聚苯乙烯磺酸盐或CPE-K，所述无机半导体材料包括CuSCN或Cu2S。4.根据权利要求3所述的钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于：所述电极界面修饰层包含有能够阻挡空穴传输材料对所述钙钛矿吸光层腐蚀的原子和/或离子。5.根据权利要求1-4中任一项所述的钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于：所述电极界面修饰层的材质包括离子型聚合物材料。6.根据权利要求5所述的钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于：所述电极界面修饰层的材质选自含有...

【专利技术属性】
技术研发人员：张连萍，李雪原，马昌期，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32