一种环境条件下印刷制备高效平面异质结钙钛矿太阳电池的方法技术

本发明专利技术公开了一种环境条件下印刷制备高效平面异质结钙钛矿太阳电池的方法，钙钛矿太阳电池包括透明导电基底、电子传输层、钙钛矿材料光吸收层、空穴传输层以及电极五部分。本发明专利技术的制备方法是在空气环境氛围中使用基底辅助加热的方式，两步连续刮涂制备钙钛矿薄膜，从而得到连续、致密的钙钛矿材料光吸收层。本发明专利技术的印刷方法具有工艺过程简单、产品能量转换效率高等优点，具有重要的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种环境条件下印刷制备高效平面异质结钙钛矿太阳电池的方法
本专利技术属于光伏器件领域，具体涉及一种在环境条件下印刷制备的高效钙钛矿太阳电池及其制备方法。
技术介绍
太阳电池是指能够将太阳能转换成电能的光电器件。太阳能具有绿色可持续、来源广泛、安全稳定等优势，有望成为传统化石燃料的新型替代能源。目前，传统的太阳电池主要采用无机材料制备，包括单晶硅、多晶硅、碲化镉、铜铟镓，其工艺过程复杂、成本高昂。最近几年，有机无机杂化钙钛矿材料因其光吸收能力强、缺陷态密度低、载流子迁移率高、载流子寿命长等优点，十分适合应用于光伏发电领域，从而引起了人们的广泛关注。从2009年第一次被引入到染料敏化太阳能电池中，并取得3.8％的能量转换效率，研究热度不断增加。同时钙钛矿太阳电池具有低成本、可低温溶液法加工等优点，有望与柔性基底相结合，实现柔性可穿戴器件的制备与应用，从而得到了非常广泛的关注，研究热度不断增加。目前，钙钛矿太阳电池认证的最高能量转换效率已高达22.7％，逼近单晶硅的最高能量转换效率纪录。这种高性能、低成本的太阳电池无疑是新时代最有潜力的能源发展之一。然而钙钛矿材料易与环境条件中的氧、水汽发生反应，从而导致钙钛矿材料分解。尽管目前已发展出许多钙钛矿薄膜制备方法，但大部分对制备条件的要求都比较严苛。此外，目前主流的钙钛矿太阳电池的制备往往都是通过旋涂法制备，这种方式会对原材料造成极大浪费。同时空气中水、氧含量对薄膜影响比较严重，很难将旋涂方法直接转化，并于空气中大规模制备高质量的钙钛矿薄膜。所以针对目前现状，发展一种环境条件下印刷制备钙钛矿太阳电池的技术则显得尤为重要，也成为了促进钙钛矿太阳电池大面积生产及实际应用的关键技术。本专利技术使用热刮涂的方法，在形成钙钛矿膜的过程中通过基底辅助加热的方式，促进了溶剂的挥发，同时又能在一定程度上避免环境条件中的氧、水汽对钙钛矿成膜的影响，并促进钙钛矿结晶。此外，采用两步刮涂法能够更有效地控制钙钛矿薄膜的厚度及表面形貌，从而制备出平整、致密的薄膜，最终实现环境条件下稳定、高效率钙钛矿太阳电池的制备。这为环境条件下的钙钛矿太阳电池大面积印刷制备提供重要参考。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种工艺简单、可大面积制备、节约原材料的方法，并且能够在环境条件下印刷制备高效率的钙钛矿太阳电池。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为一种环境条件下印刷制备高效率平面异质结钙钛矿太阳电池的方法，所述太阳电池包括基底、电子传输层，钙钛矿材料光吸收层、空穴传输层以及电极五部分。上述的高效率、稳定的钙钛矿太阳电池，所述透明导电基底为ITO玻璃或FTO玻璃。上述的高效率、稳定的钙钛矿太阳电池，所述电子传输层为富勒烯衍生物或TiO2或SnO2。上述的高效率、稳定的钙钛矿太阳电池，所述钙钛矿材料为CH3NH3PbI3或CH3NH3PbCl3或CH3NH3Pb(IxBr1-x)3或[CH(NH2)2]y(CH3NH3)1-yPb(IxBr1-x)3或[CH(NH2)2]y(CH3NH3)1-y-zCszPb(IxBr1-x)3，x数值在0和1之间，y数值在0和1之间，z数值在0和1之间。上述的高效率、稳定的钙钛矿太阳电池，所述空穴传输层为PEDOT：PSS或PTAA或Spiro-OMeTAD或氧化石墨烯。上述的高效率、稳定的钙钛矿太阳电池，所述电极层为铝、银或金。针对环境条件中水、氧对钙钛矿成膜的影响以及旋涂法等常规制备方法严重浪费原材料的问题，本专利技术提出了一种在环境条件下印刷制备高效率平面异质结钙钛矿太阳电池的方法。目前主流的钙钛矿太阳能电池的制备往往都是通过旋涂法，对原材料造成了极大浪费，同时也不适用于钙钛矿太阳电池的大规模、大面积生产。针对目前现状，发展一种环境条件下印刷制备钙钛矿太阳电池的方法则具有重要意义。其中刮涂法是印刷技术中较为简单的一种工艺，而且可以和卷对卷工艺相结合，从而实现钙钛矿太阳电池的大规模生产。由于一步刮涂法往往容易导致钙钛矿方向性析出、结晶，从而导致钙钛矿薄膜的不连续，并最终影响器件性能。因此，本专利技术在成膜过程中采用两步刮涂法，有利于均一、大面积钙钛矿薄膜的制备。此外，空气中的氧、水汽容易导致碘化铅及钙钛矿枝状晶的形成，导致钙钛矿薄膜形成许多孔洞。为解决上述问题，本专利技术中通过基底辅助加热的方式，一定程度上避免了环境条件下水、氧对钙钛矿成膜的影响，同时促进了溶剂的挥发，增加了钙钛矿薄膜的结晶性，有利于高效率平面异质结钙钛矿太阳电池的印刷制备。作为一个总的技术构思，本专利技术主要提供一种上述的环境条件下印刷制备高效率平面异质结钙钛矿太阳电池的方法，包括以下步骤：(1)配置钙钛矿前驱体溶液；(2)基底的准备、清洗与处理；(3)制备电子传输层；(4)刮涂制备钙钛矿光活性层；(5)制备空穴传输层；(6)制备电极。上述的制备方法，所述步骤(1)中，所述的钙钛矿材料前驱体溶液是由PbI2：CH3NH3Br或PbI2：CH3NH3I或PbI2：CH3NH3Cl或PbI2：CH(NH2)2I等按摩尔比例1:1称取后，分别溶于N-N二甲基甲酰胺和异丙醇中。配置的碘化铅溶液溶度为400-650mg/ml，并在60～90摄氏度温度下加热搅拌8～12小时,。配置的CH3NH3Br、CH3NH3I、CH3NH3Cl、CH(NH2)2I溶液溶度为50-150mg/ml，并于常温下搅拌8-12小时。采用上述配比，并通过加热、搅拌等手段，可以使材料充分溶解，同时保证薄膜各组分的配比，使刮涂制备的薄膜在后续退火环节中能够充分反应并形成钙钛矿，从而减少残存的PbI2或CH3NH3Br或CH3NH3I。上述的制备方法，所述步骤(2)中，基底的准备、清洗与处理是指：使用丙酮、洗涤剂/去离子水、去离子水、异丙醇分别对基底超声清洗15-30分钟，然后使用氮气吹干，最后再紫外-臭氧处理15-30分钟。使用氮气吹干，主要去除基底表面附着的固体颗粒；此外，通过紫外-臭氧处理基底，可改善ITO功函数，去除有机物、杂质等。通过上述清洗步骤可以有效去除基底表面的有机物、杂质等，从而改善界面接触，同时有利于高质量钙钛矿薄膜的制备。上述的制备方法，所述步骤(4)中，刮涂制备钙钛矿光活性层是指：利用刮涂仪将PbI2前驱体溶液刮涂形成PbI2薄膜，刮刀速度为10-50cm/s，基底温度为50-100℃，刮刀距离基底高度为60-150μm，环境相对湿度为20-60％。碘化铅薄膜在50-100℃下退火10-40min，再以同样的刮涂速度刮涂CH3NH3Br或CH3NH3I或CH3NH3Cl或CH(NH2)2I溶液，刮刀高度调整为70-120μm，其它条件保持不变。最后在100-160℃下退火20-40min，最终形成钙钛矿薄膜。上述的制备方法，所述步骤(6)中，所述采用蒸镀制备电极是指，采用蒸镀的方式，沉积形成80-150nm的铝、银或金电极。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1.本专利技术的钙钛矿薄膜制备方法，在成膜过程中采用两步法进行刮涂。比其他制备技术更加节省原材料，同时可与卷对卷工艺结合，为钙钛矿太阳电池的大规模工业化生产提供参考。此外，两步法刮涂可控性更高，工艺配方简单，并且成膜均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环境条件下印刷制备高效平面异质结钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，在下层透明导电基底和上层电极层之间夹有三层功能层；所述的三层功能层，从下到上依次为电子传输层、钙钛矿活性层和空穴传输层；所述的三层功能层全部通过低温溶液法制备成膜；所述的电子传输层是富勒烯衍生物或TiO2或SnO2，薄膜层厚度在10纳米到120纳米之间；所述的空穴传输层是PEDOT:PSS或PTAA或Spiro‑OMeTAD或氧化石墨烯，空穴传输层薄膜厚度在10纳米到150纳米之间；所述的钙钛矿是CH3NH3PbI3或CH3NH3PbCl3或CH3NH3Pb(IxBr1‑x)3或[CH(NH2)2]y(CH3NH3)1‑yPb(IxBr1‑x)3或[CH(NH2)2]y(CH3NH3)1‑y‑zCszPb(IxBr1‑x)3，x数值在0和1之间，y数值在0和1之间，z数值在0和1之间；所述的钙钛矿活性层是在空气环境中通过两步连续刮涂法，结合基底辅助加热方式，印刷形成连续、致密、厚度在300纳米到900纳米之间的钙钛矿材料光吸收层。

【技术特征摘要】
1.一种环境条件下印刷制备高效平面异质结钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，在下层透明导电基底和上层电极层之间夹有三层功能层；所述的三层功能层，从下到上依次为电子传输层、钙钛矿活性层和空穴传输层；所述的三层功能层全部通过低温溶液法制备成膜；所述的电子传输层是富勒烯衍生物或TiO2或SnO2，薄膜层厚度在10纳米到120纳米之间；所述的空穴传输层是PEDOT:PSS或PTAA或Spiro-OMeTAD或氧化石墨烯，空穴传输层薄膜厚度在10纳米到150纳米之间；所述的钙钛矿是CH3NH3PbI3或CH3NH3PbCl3或CH3NH3Pb(IxBr1-x)3或[CH(NH2)2]y(CH3NH3)1-yPb(IxBr1-x)3或[CH(NH2)2]y(CH3NH3)1-y-zCszPb(IxBr1-x)3，x数值在0和1之间，y数值在0和1之间，z数值在0和1之间；所述的钙钛矿活性层是在空气环境中通过两步连续刮涂法，结合基底辅助加热方式，印刷形成连续、致密、厚度在300纳米到900纳米之间的钙钛矿材料光吸收层。2.一种环境条件下印刷制备高效平面异质结钙钛矿太阳电池的制备方法，包括以下步骤：(1)配置钙钛矿前驱体溶液；(2)基底的准备、清洗与处理；(3)制备电子传输层；(4)在空气环境氛围中使用基底热辅助的方式，两步连续刮涂制备钙钛矿材料薄膜；(5)制备空穴传输层；(6)制备电极。3.根据权利要求2所述的一种环境条件下印刷制备高效平面异质结钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述的钙钛矿材料先驱体溶液是由PbI2:CH3NH3I或PbI2:CH3NH3Br或PbI2:CH3NH3Cl或PbI2:CH(NH2)2I或PbI2:CsI按照摩尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳军亮，欧阳邦，黄可卿，程羽雕，彭勇宜，李恒月，龚辰迪，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43