一种基于极化的铁电钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于太阳能电池领域，公开了一种基于极化的铁电钙钛矿太阳能电池及其制备方法，所述太阳能电池结构包括导电基底、电子传输层、极化的铁电钙钛矿光吸收层、极化的铁电聚合物薄膜、空穴传输层以及金属阳极；所述极化的铁电钙钛矿型光吸收层中均匀分布了极化的铁电聚合物；极化的铁电聚合物薄膜是存在于所述极化的铁电钙钛矿型光吸收层和空穴传输层之间的夹层。本发明专利技术采用简单易控制的旋涂法制备薄膜，用平行电容器对铁电聚合物进行极化处理。本发明专利技术具有低成本、易操作、重复性好等优点，通过化学掺杂和电场极化处理的方式有效地改善钙钛矿薄膜的结晶质量，调节太阳能电池的内建电场，提高钙钛矿太阳能电池器件的光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于极化的铁电钙钛矿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，涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，尤其是涉及一种基于极化的铁电钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
近几年，钙钛矿型太阳能电池凭借其较宽的吸收范围和优异的载流子迁移率等优点引起了世界各地科学家的广泛关注，在短短的五年时间内，光电转换效率迅速增长到22%以上。有机无机杂化钙钛矿材料具有独特的双极性传输特性，能同时向正、负两电极输送空穴和电子，因此，在光伏器件中，钙钛矿薄膜可以同时起到光吸收和双极性电荷运输的作用。对于一个光伏器件来说，当光吸收层材料吸收到能量大于其禁带宽度的光子时，基态电子会被激发，跃迁到激发态留下空穴，在库伦相互作用下形成电子空穴对（激子）。之后在大于激子结合能的内建电场作用下，电子和空穴会分别向不同的方向漂移，空穴移向空穴传输层方向，电子移向电子传输层方向，最后载流子在两电极处积累形成电势差，继而形成光电流。通常来说，电子传输层材料通称为n型半导体材料；空穴传输层材料通称为p型半导体。电子传输层能量势垒可以阻挡空穴向其漂移，同理，空穴传输层也可以阻挡电子，这种梯度能级形成的内建电场可以有效的保证电子和空穴的传输和收集。因此对于一个光伏器件来说，内建电场的强弱程度对于载流子的分离和传输以及整个器件的光伏性能起到至关重要的作用。一些化学物理技术也被应用作为提高器件内部电荷转移和收集效率的有效途径，如电化学沉积法、外加磁场、外加电场极化等增强器件内建电场的方法。对于一步旋涂法制备的钙钛矿光吸收层薄膜来说，能有效地控制钙钛矿光吸收层的形貌、器件内部电荷转移和收集效率是至关重要的。研究者们尝试了许多方法来改善钙钛矿结晶过程，例如运用一些添加剂去减慢钙钛矿晶体的结晶速度，添加纳米颗粒作为一种引导晶体生长的中间体来控制结晶位置，利用一些溶剂工程形成一些中间产物来改善钙钛矿晶体的成核过程。为了同时简单直接地调控钙钛矿光吸收层的薄膜形貌和器件的内建电场，研究者提出了一种基于极化的铁电钙钛矿太阳能电池的制备方法，其器件结构与传统结构相似，通过引入极化的铁电钙钛矿光吸收层和极化的铁电聚合物夹层，提高光吸收层薄膜的结晶程度和器件的内建电场，降低载流子的分离和运输难度，提高器件的光伏效率。
技术实现思路
要解决的技术问题：在常规的一步旋涂法制备的钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿薄膜的中有较多的孔洞和载流子缺陷，同时，器件内部较弱的内建电场不足以提供足够的力量使载流子充分的分离和传输，降低载流子分离和收集效率。本专利技术的目的是在不增加工艺难度的情况下，同时提高钙钛矿薄膜的结晶质量和器件的内建电场，本专利技术的制备方法是在钙钛矿光吸收层制备的过程中掺杂铁电聚合物，提高钙钛矿光吸收层的结晶质量，同时在铁电钙钛矿光吸收层上覆盖一层极化的铁电聚合物夹层，提高器件的内建电场。技术方案：为了解决上述问题，本专利技术公开了一种基于极化的铁电钙钛矿太阳能电池，所述太阳能电池包括极化的铁电钙钛矿光吸收层和极化的铁电聚合物薄膜，所述极化的铁电钙钛矿光吸收层中均匀分布了极化的铁电聚合物，极化的铁电聚合物薄膜存在于所述极化的铁电钙钛矿光吸收层和空穴传输层之间。一种基于极化的铁电钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：（1）将碘化甲铵（MAI）和碘化铅（PbI2）以及质量分数为0.1-0.3wt%铁电聚合物的粉末混合，溶于γ-丁内酯（GBL）和二甲基亚砜（DMSO）的混合溶液中，搅拌6-8h，获得铁电钙钛矿前驱体溶液；（2）将铁电聚合物溶解于乙酸乙酯溶剂中，形成浓度为0.1-0.3mg/mL的铁电聚合物乙酸乙酯溶液；（3）将透明导电基底放入四氯化钛（TiCl4）水溶液中，70℃静置1h后，使得基底上铺满致密的二氧化钛（TiO2）电子传输层；（4）将覆盖有致密二氧化钛电子传输层的导电基底转移到充满氮气的手套箱中；（5）采用一步旋涂的方法，将铁电钙钛矿前驱体溶液均匀的覆盖在电子传输层上，旋涂过程中采用氯苯进行反溶剂，形成均匀的铁电钙钛矿光吸收层薄膜；（6）将铁电钙钛矿光吸收层薄膜置于匀强电场中，分布在钙钛矿前驱体溶液中的铁电聚合物被均匀极化，形成极化的铁电钙钛矿光吸收层；（7）将光吸收层薄膜在100-105℃的温度下退火8-15min，形成固化的光吸收层薄膜；（8）采用旋涂的方法，在固化的光吸收层薄膜上覆盖上铁电聚合物的乙酸乙酯溶液，形成均匀的铁电聚合物薄膜；（9）将铁电聚合物薄膜置于匀强电场中，形成极化的铁电聚合物薄膜；（10）在光吸收层薄膜上继续采用旋涂的方法制备2,2',7,7'-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）薄膜，得到均匀的空穴传输层薄膜；（11）采用热蒸镀的方法，在空穴传输层薄膜上制备阳极电极。优选的，所述步骤（1）中碘化甲铵和碘化铅以1：1的摩尔比混合，铁电聚合物粉末的质量分数为0.2wt%，铁电聚合物为聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）(P(VDF-TrFE))、聚（偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯）(P(VDF-TrFE-CTFE)或聚（偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯）(P(VDF-TrFE-CFE))的一种。优选的，所述步骤（2）中铁电聚合物乙酸乙酯溶液的浓度为0.2mg/mL。优选的，所述步骤（3）中透明导电基底为FTO玻璃，四氯化钛溶液和水溶液的体积比为9：40，得到的二氧化钛电子传输层的厚度为50nm。优选的，所述步骤（5）中反溶剂过程中氯苯的量为180µL。优选的，所述步骤（6）中匀强电场的电场强度为2.0V/µm，极化时间为30s。优选的，所述步骤（7）中光吸收层薄膜的退火温度为100℃，时间为10min。优选的，所述步骤（9）中匀强电场的电场强度为2.0V/µm，极化时间为30s，铁电聚合物薄膜的厚度为3nm。优选的，所述步骤（11）中阳极电极为金属银，厚度为100nm。有益效果：本专利技术公开的一种基于极化的铁电钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该方法具有以下优点：本专利技术采用一步旋涂法制备出了基于铁电极化的钙钛矿光吸收层薄膜和铁电聚合物夹层薄膜，制备方法耗费成本低，制备方法简单；通过在钙钛矿光吸收层中引入质量分数为0.2wt%的极化铁电聚合物，钙钛矿晶体的结晶可以得到一定程度地改善，晶粒尺寸明显增大，薄膜的孔洞缺陷明显降低，同时均匀分布的铁电聚合物可以一定程度的提高钙钛矿薄膜内部的内建电场；光吸收层和空穴传输层之间的极化铁电聚合物夹层，可以更进一步的提高器件的内建电场，提高载流子分离和传输效率。同时存在于钙钛矿光吸收层和夹层中的极化铁电聚合物共同作用，可以最大限度的提高器件的内建电场，提高光伏器件的光电转换效率。附图说明图1为本专利技术的制备方法制备得到的钙钛矿型太阳能电池的结构示意图；图2为本专利技术制备方法的用于极化处理铁电聚合物材料的匀强电场结构示意图，其中1为导电玻璃，2为被极化的薄膜（铁电钙钛矿光吸收层或铁电聚合物薄膜）；图3为实例1中制备的基于P(VDF-TrFE)铁电聚合物极化的钙钛矿太阳能电池器件在光照强度为AM1.5G下的电流密度-电压曲线图；图4为实例1中制备的基于P(VDF-TrFE)铁电聚合物钙钛矿光吸收层的扫描式电子显微镜图；图5为实例1中制备的P(VDF-TrFE)铁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于极化的铁电钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括极化的铁电钙钛矿光吸收层和极化的铁电聚合物薄膜，所述极化的铁电钙钛矿光吸收层中均匀分布了极化的铁电聚合物，极化的铁电聚合物薄膜存在于所述极化的铁电钙钛矿光吸收层和空穴传输层之间。

【技术特征摘要】
1.一种基于极化的铁电钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括极化的铁电钙钛矿光吸收层和极化的铁电聚合物薄膜，所述极化的铁电钙钛矿光吸收层中均匀分布了极化的铁电聚合物，极化的铁电聚合物薄膜存在于所述极化的铁电钙钛矿光吸收层和空穴传输层之间。2.权利要求1所述的一种基于极化的铁电钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：（1）将碘化甲铵和碘化铅以及质量分数为0.1-0.3wt%铁电聚合物的粉末混合，溶于γ-丁内酯和二甲基亚砜的混合溶液中，搅拌6-8h，获得铁电钙钛矿前驱体溶液；（2）将铁电聚合物溶解于乙酸乙酯溶剂中，形成浓度为0.1-0.3mg/mL的铁电聚合物乙酸乙酯溶液；（3）将透明导电基底放入四氯化钛水溶液中进行处理，使得基底上铺满致密的二氧化钛电子传输层；（4）将覆盖有致密二氧化钛电子传输层的导电基底转移到充满氮气的手套箱中；（5）采用一步旋涂的方法，将铁电钙钛矿前驱体溶液均匀的覆盖在电子传输层上，旋涂过程中采用氯苯进行反溶剂，形成均匀的铁电钙钛矿光吸收层薄膜；（6）将铁电钙钛矿光吸收层薄膜置于匀强电场中，分布在钙钛矿前驱体溶液中的铁电聚合物被均匀极化，形成极化的铁电钙钛矿光吸收层；（7）将光吸收层薄膜在100-105℃的温度下退火8-15min，形成固化的光吸收层薄膜；（8）采用旋涂的方法，在固化的光吸收层薄膜上覆盖上铁电聚合物的乙酸乙酯溶液，形成均匀的铁电聚合物薄膜；（9）将铁电聚合物薄膜置于匀强电场中，形成极化的铁电聚合物薄膜；（10）在光吸收层薄膜上继续采用旋涂的方法制备2,2',7,7'-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9'-螺二芴薄膜，得到均匀的空...

【专利技术属性】
技术研发人员：王照奎，廖良生，张丛丛，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32