一种可工业化生产高效钙钛矿太阳能电池的方法技术

本发明专利技术提供了一种可工业化生产高效钙钛矿太阳能电池的方法。将一种小分子表面活性剂PAA掺杂到MAPbI3薄膜中，并且采用刮刀刮涂的方法制备了低缺陷、无孔洞的高质量钙钛矿薄膜。本发明专利技术的制备方法与传统的旋涂法制备钙钛矿太阳能电池相比，制备方法简单，用料少，且效果明显，适合高性能、低成本、大面积的钙钛矿太阳能电池的制备。所述制备方法制得的平面钙钛矿太阳能电池的电池效率明显高于未经过PAA掺杂的平面钙钛矿太阳能电池。

【技术实现步骤摘要】
一种可工业化生产高效钙钛矿太阳能电池的方法
本专利技术属于薄膜太阳能电池制备
，特别涉及一种可工业化生产高效钙钛矿太阳能电池的方法。
技术介绍
钙钛矿太阳能电池自从2009年首次报道以来已经取得了巨大进展。尽管实验室中许多通过旋涂法制备的小面积钙钛矿太阳能电池效率已经超过22%。但是这种工艺方法对原料的损失很大，成本高，速率慢，不适合大规模工业生产，大规模高效钙钛矿太阳能电池的制备是如今商业化面临的一大难题。大规模制备钙钛矿的方法一般包括：刮刀涂布法、喷雾沉积法、喷墨打印法和电沉积等。刮刀涂布法是一种连续制造工艺，也是制备高质量钙钛矿薄膜的最成功的工艺之一。但是在使用刮刀涂布法制备器件时，常存在刮涂薄膜表面粗糙度较大，膜层覆盖器件性能差异性大等问题，该问题主要由于刮涂法制备的钙钛矿薄膜的不均匀性导致。一个高质量的钙钛矿吸光层除了需要平滑以及致密之外，更重要的是需要较低的薄膜缺陷密度以降低非辐射复合提高载流子的注入能力。这种由复杂流体力学导致的薄膜不均匀性成为了刮涂法制备高效率大面积钙钛矿太阳能电池的一项巨大挑战。
技术实现思路
针对大规模高效钙钛矿太阳能电池的制备以及刮涂法制备钙钛矿薄膜表面粗糙度等问题，本专利技术提供了一种平面钙钛矿太阳能电池的刮涂制备方法，该方法可以大规模生产。本专利技术的技术方案为：一种可工业化生产高效钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：（1）以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀，得到基片；（2）在步骤（1）的基片上制备空穴传输层；（3）配制掺杂小分子聚合物的MAPbI3钙钛矿前驱体溶液；（4）刮涂法制备钙钛矿吸光层；（5）在钙钛矿吸光层上制备电子传输层：将步骤（4）的基片置于匀胶机上，旋涂PCBM溶液；（6）在电子传输层上制备电极修饰层：在步骤（5）的基片上旋涂浴铜灵-乙醇溶液；（7）在电极修饰层上制备银电极，从而获得太阳能电池。所述的步骤（3）小分子聚合物为PAA、PVP或PPS中的一种或几种；所述的小分子聚合物的掺杂量为2-12mg/mL。所述的步骤（3）配制掺杂小分子聚合物的MAPbI3钙钛矿前驱体溶液：首先配置MAI/PbI2-DMF溶液，然后往前驱体溶液里添加PAA粉末，最后搅拌溶解后待用。所述的步骤（4）刮涂法制备钙钛矿吸光层，包括以下步骤：在120-180℃加热板上，采用刮刀将步骤（3）的前驱体溶液刮涂在步骤（2）的基片上，调节刮刀与基片的间距在20-80μm，刮涂速度1.5~2cm/s，刮涂完成后立即80-120℃退火，得到钙钛矿吸光层。所述的步骤（1）以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀，具体工艺为：将FTO（方阻为15-20Ω/□）透明导电玻璃切成长条，接着贴上胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀10-15min，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成正方形，用碱液超声清洗30-60min，再用酒精超声清洗，最后用氮气枪吹干基片以备用。所述的步骤（2）制备空穴传输层，具体工艺为：将步骤（1）洗净的基片使用等离子清洗机清洗10-15min，然后置于匀胶机上制备NiOX空穴传输层，退火，得到空穴传输层。本专利技术的有益效果：1.实现大规模生产刮刀涂布法大规模制备钙钛矿太阳能电池时，存在刮涂薄膜表面粗糙度较大、膜层覆盖器件性能差异性大等问题；本专利技术通过在刮涂薄膜中掺入小分子PAA、PVP、PPS等表面活性剂，显著改善了刮涂法制备薄膜的缺点，且实现规模化生产，解决了刮刀涂布法大规模生产钙钛矿太阳能电池存在的问题。2.成本低旋涂法制备的小面积钙钛矿太阳能电池效率高，但是对原料的损失很大，成本高，速率慢，不适合大规模工业生产；本专利技术通过掺入PAA，使得刮涂薄膜的晶畴之间更加致密，薄膜拥有更加均匀的表面以及较低的粗糙度，减小了载流子在缺陷处的复合行为，同时有利于钙钛矿光吸收层内部光生载流子的分离，获得了较高的光电转换效率；对比未掺杂的器件，最终电池的光电转换效率由10.3%提升至14.9%，特别适合制备高效率，低成本的大面积钙钛矿太阳能电池。附图说明图1为刮涂法制备的反型钙钛矿太阳能结构示意图；其中1.FTO导电玻璃，2.NiOX空穴传输层，3.PAA掺杂钙钛矿吸光层，4.PCBM电子传输层，5.BCP，6.银电极；图2为掺杂和未掺杂PAA的MAPbI3薄膜XRD曲线；图3为掺杂和未掺杂PAA的MAPbI3薄膜扫描电镜图；图（a）（c）是未掺杂，（b）（d）是掺杂5mg/mLPAA的情况；图4为掺杂和未掺杂PAA的电池I-V曲线。具体实施方式实施例1一种可工业化生产高效钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：（1）以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀：将FTO（方阻为15Ω/□）透明导电玻璃切成1.5cm宽的长条，接着贴上1cm宽的胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成1.5×1.5cm的正方形，用碱液超声清洗60min，再用酒精超声清洗30min，最后用氮气枪吹干基片以备用；（2）制备空穴传输层：将步骤（1）的基片使用等离子清洗机清洗15min，然后置于匀胶机上以5000rpm旋涂NiOX溶液40s，400℃退火60min，得到涂有空穴传输层的基片；（3）配制掺杂PAA的MAPbI3钙钛矿前驱体溶液：首先配置1mmol/mL的MAI/PbI2的1mLDMF溶液，然后往前驱体溶液里依次添加2mg/mL的PAA粉末，最后搅拌溶解后待用。（4）刮涂法制备钙钛矿吸光层：将步骤（2）空穴传输层的基片置于150℃加热板上，然后刮涂步骤（3）前驱体溶液，然后于100℃退火5min；（5）在钙钛矿吸光层上制备电子传输层：将步骤（4）的基片置于匀胶机上，以3000rpm的转速旋涂PCBM溶液，旋涂时间为30s；（6）在电子传输层上制备电极修饰层：以3500rpm转速旋涂BCP（浴铜灵）的乙醇溶液，将制备好的样品取出，用真空镀膜仪蒸镀Ag电极60nm，蒸发速率为1Å/s；（7）在电极修饰层上制备银电极，从而获得太阳能电池。实施例2本实施例与实施例1相同，不同之处在于步骤2中往MAPbI3前驱体溶液中加入5mg/mLPAA，置于磁力搅拌器上搅拌1小时。实施例3本实施例与实施例1相同，不同之处在于步骤2中往MAPbI3前驱体溶液加入8mg/mLPPS，置于磁力搅拌器上搅拌1小时。实施例4本实施例与实施例1相同，不同之处在于步骤2中往MAPbI3前驱体溶液中加入2mg/mLPVP，置于磁力搅拌器上搅拌1小时。对比例1本实施例与实施例1相同，不同之处在于不加入PAA。效果实施例（一）吸光层分析将实施例2与对比例1制备的吸光层做扫描电镜分析，结果见图3，从图中可以看出，未掺杂PAA的MAPbI3表面电镜图如图（a）（c），晶畴之间有很大的空隙，而掺杂PAA的薄膜每个晶畴之间更加紧密，无明显空隙，这不仅减少了薄膜的缺陷密度，更有利于载流子的传输。图4为掺杂PAA和未掺杂PAA的I-V曲线，横坐标为开路电压，纵坐标为短路电流密度。从图中可以看出，掺杂后的器件效率有明显提升，且掺杂含量为5mg/mL时，器件的性能最好。图4所示的I-V曲线所得结果如表1所示。表明本专利技术制成的电池，其性能是掺杂PAA后电池效率为14.9%，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可工业化生产高效钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀，得到基片；（2）在步骤（1）的基片上制备空穴传输层；（3）配制掺杂小分子聚合物的MAPbI3钙钛矿前驱体溶液；（4）刮涂法制备钙钛矿吸光层；（5）在钙钛矿吸光层上制备电子传输层：将步骤（4）的基片置于匀胶机上，旋涂PCBM溶液；（6）在电子传输层上制备电极修饰层：在步骤（5）的基片上旋涂浴铜灵‑乙醇溶液；（7）在电极修饰层上制备银电极，从而获得太阳能电池。

【技术特征摘要】
1.一种可工业化生产高效钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀，得到基片；（2）在步骤（1）的基片上制备空穴传输层；（3）配制掺杂小分子聚合物的MAPbI3钙钛矿前驱体溶液；（4）刮涂法制备钙钛矿吸光层；（5）在钙钛矿吸光层上制备电子传输层：将步骤（4）的基片置于匀胶机上，旋涂PCBM溶液；（6）在电子传输层上制备电极修饰层：在步骤（5）的基片上旋涂浴铜灵-乙醇溶液；（7）在电极修饰层上制备银电极，从而获得太阳能电池。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤（3）小分子聚合物为PAA、PVP或PPS中的一种或几种；所述的小分子聚合物的掺杂量为2-8mg/mL。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤（3）配制掺杂小分子聚合物的MAPbI3钙钛矿前驱体溶液：首先配置MAI/PbI2-DMF溶液，然后往前驱体溶液里添加PAA粉末，最后搅拌溶解后待用。4.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宁，曹丙强，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37