一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池及其制法和应用制造技术

技术编号:22310018 阅读:34 留言:0更新日期:2019-10-16 09:57
本发明专利技术属于全无机钙钛矿太阳能电池器件制备的技术领域,特别涉及一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池及其制法和应用。所述的双电子传输层(SnO2/PEIE)是通过溶液加工法旋涂于阴极层上,经过在大气中退火后得到的。PEIE层的加入,能够减少SnO2电子传输层和钙钛矿层之间的能级差,实现更好的能级匹配,增强电子的抽取能力,减少钙钛矿光吸收层中电子‑空穴的符合,提高CsPbIBr2太阳能电池的光电转换效率,从而获得高光伏性能的全无机钙钛矿太阳能电池器件。

A double electron transport layer inorganic perovskite solar cell and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池及其制法和应用
本专利技术属于全无机钙钛矿太阳能电池器件制备的
,特别涉及一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池及其制法和应用。
技术介绍
步入21世纪,人类社会和科学技术不断进步和发展,但随之而来的,是日益严峻的能源稀缺问题和环境污染问题。而解决这一对问题最有效的手段,则是大力发展和推广清洁能源和可再生能源。太阳能作为地球上最丰富的清洁能源和可再生能源,也因此得到了世界各国科学家的关注。在太阳能的有效利用中,太阳能电池能够通过材料的光电效应,将太阳能转化为电能供人们使用。因此,太阳能电池成为近些年发展最快、最具活力的研究领域。太阳能电池在过去的几十年中得到了迅速的发展,以不同材料为基础的太阳能电池也相应地被开发出来,并逐渐得到了应用。近年,钙钛矿材料作为一种新型的活性层,被应用到了太阳能电池中。钙钛矿具有吸收系数大,载流子迁移率高,较长的电子-空穴扩散距离以及易调节带隙等的特点;而且钙钛矿的原料储量丰富,成本低,易于大规模生产,具有很好的商业潜质,因此,钙钛矿太阳能电池成为光伏领域的研究热点。目前在钙钛矿太阳能电池领域的研究主要集中在有机/无机杂化钙钛矿APbX3(A=MA+、FA+、…;X=Cl、Br、I)太阳能电池和全无机CsPbX3钙钛矿电池(X=Cl、Br、I)两种。有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池自从2009年被首次应用于光伏领域之后,光电转换效率从3.8%迅速提升到了22.7%。但有机/无机杂化钙钛矿的较为致命的缺点在于,钙钛矿材料中含有的有机离子(MA+、FA+……)在热和潮湿的环境中不稳定,导致这一类钙钛矿太阳能电池器件容易衰减,长期稳定性较差,不利于电池的实际应用。相比之下,全无机钙钛矿材料的不含有机组分,拥有更好的光稳定性和热稳定性。然而其光电转换效率远不如有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池。基于比较常用的溶液法,可以制备CSPbIBr2钙钛矿太阳能电池,其器件结构为:ITO/氧化锡(SnO2)/钙钛矿/2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)/氧化钼(MoO3)/银(Ag)。然而在这种结构下,SnO2导带能级(-4.43eV)与钙钛矿导带能级(-3.29eV)不匹配,具有较大能级落差,一定程度上阻碍了电子的传输,使得器件光电转换效率降低。此外,钙钛矿吸光层的本征薄膜质量决定了器件的整体性能,结晶度的不理想以及晶界缺陷的存在势必会加剧电子空穴的无效复合,影响器件性能,因此,制备性能优异的钙钛矿电池器件,对钙钛矿材料的结晶度,晶粒尺寸提出了要求。
技术实现思路
为了克服上述问题,本专利技术利用界面调控的方法,采用了一种新型的无机/有机双电子传输层(SnO2/PEIE),减小SnO2电子传输层和钙钛矿导带的能级落差,提高钙钛矿吸光层薄膜质量,进而提高基于CsPbIBr2全无机钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。本专利技术的主要目的在于提供一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池。本专利技术的另一目的在于提供上述双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池的制备方法。本专利技术的再一目的在于提供上述双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池的应用。本专利技术的目的通过以下的方案实现:一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池,包括衬底和依次层叠于所述衬底上的阴极层、厚度为10~40nm的SnO2电子传输层、厚度为5~8nm的聚乙氧基乙烯亚胺(PEIE)电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、阳极修饰层和阳极层。优选的,所述钙钛矿光吸收层为CsPbIBr2,所述钙钛矿光吸收层的厚度为300~400nm。优选的,所述空穴传输层为TBP、Li-TFSI和Fk209修饰的Spiro-OMeTAD薄膜,所述空穴传输层的厚度为140~160nm;所述TBP为4-叔丁基吡啶,所述Li-TFSI为双三氟甲烷磺酰亚胺锂盐,所述Fk209为三[4-叔丁基-2-(1H-吡唑-1-基)吡啶]钴(III)三(1,1,1-三氟-N-[(三氟甲基)磺酰基]甲烷磺酰胺盐),所述Spiro-OMeTAD为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴。优选的,所述衬底为玻璃或透明塑料薄膜,更优选的为玻璃;所述阴极层为铟掺杂的氧化锡薄膜、氟掺杂的氧化锡薄膜、铝掺杂的氧化锌薄膜,更优选的为铟掺杂的氧化锡薄膜;所述阳极修饰层为MoO3薄膜,所述阳极修饰层的厚度为10~14nm,更优选为12nm;所述阳极为金属银或金薄膜,所述阳极的厚度为80~100nm,更优选为100nm。所述双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池的制备方法,包括如下步骤:(1)在衬底上通过溶液加工法或者真空蒸镀法制备阴极层;(2)取SnO2溶液,通过溶液加工法在阴极层制备SnO2电子传输层;(3)取PEIE溶液,通过溶液加工法于SnO2电子传输层上制备PEIE电子传输层,在145~150℃退火30~40分钟;(4)在PEIE电子传输层上通过溶液加工法分别制备钙钛矿光吸收层、空穴传输层;采用真空蒸镀法依次将阳极修饰层和阳极层蒸镀于空穴传输层上,得到所述双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池。优选的,步骤(2)所述SnO2溶液的配置为:取质量分数为15%的市售SnO2胶体分散液,按体积比为市售SnO2胶体分散液:水=6.5:1的比例稀释制得。优选的,步骤(3)所述PEIE溶液的浓度为0.3~0.8mg/mL,更优选为0.5mg/mL。优选的,步骤(3)所述在150℃退火30分钟。优选的,步骤(4)钙钛矿光吸收层的制备步骤为:先将化合物CsI和化合物PbBr2按照摩尔比1:1混合,溶于二甲基亚砜(DMSO)中,配成1.0mol/L的CsPbIBr2前驱体溶液,然后再将CsPbIBr2前驱体溶液涂覆到PEIE电子传输层上。优选的,步骤(4)所述空穴传输层的制备步骤为:取72.3mg的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)固体溶于1mL氯苯溶剂中,加入28.8μL4-叔丁基吡啶(TBP)、17.5μL双三氟甲烷磺酰亚胺锂盐(Li-TFSI)/乙腈溶液(500mg/mL)以及29μLFk209/乙腈溶液(300mg/mL),配制成的混合溶液,然后将其涂覆于钙钛矿光吸收层上。优选的,步骤(1)、(2)、(3)和(4)所述的溶液加工法为刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印中的一种。优选的,步骤(1)和(4)所述真空蒸镀法的真空度为10-6~10-7Pa。上述双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池在光伏发电、照明领域中的应用。与现有技术相比,本专利技术具有以下优点和有益效果:与以SnO2作为单电子层的全无机钙钛矿太阳能电池相比,本专利技术优点在于加入第二层电子传输层PEIE能够提高钙钛矿薄膜的结晶性能,从而能够形成形貌更好的薄膜。同时,加入PEIE层能够使电子传输层的能级和钙钛矿更加匹配,有利于电子的传输,减少活性层中电子-空穴的复合,从而提高太阳能电池的能量转换效率。附图说明图1是对比例1所述标准器件1的钙钛矿光吸收层与实施例1所述实施器件的钙钛矿光吸收层的扫描电子显微镜俯视图,其中,(a)对应对比例1,(b)对应实施例1。图2是是对比例1所述本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池,其特征在于,包括衬底和依次层叠于所述衬底上的阴极层、厚度为10~40nm的SnO2电子传输层、厚度为5~8nm的聚乙氧基乙烯亚胺电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、阳极修饰层和阳极层。

【技术特征摘要】
1.一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池,其特征在于,包括衬底和依次层叠于所述衬底上的阴极层、厚度为10~40nm的SnO2电子传输层、厚度为5~8nm的聚乙氧基乙烯亚胺电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、阳极修饰层和阳极层。2.根据权利要求1所述一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池,其特征在于,所述钙钛矿光吸收层为CsPbIBr2,所述钙钛矿光吸收层的厚度为300~400nm。3.根据权利要求1或2所述一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池,其特征在于,所述空穴传输层为TBP、Li-TFSI和Fk209修饰的Spiro-OMeTAD薄膜,所述空穴传输层的厚度为140~160nm。4.根据权利要求3所述一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池,其特征在于,所述TBP为4-叔丁基吡啶,所述Li-TFSI为双三氟甲烷磺酰亚胺锂盐,所述Fk209为三[4-叔丁基-2-(1H-吡唑-1-基)吡啶]钴(III)三(1,1,1-三氟-N-[(三氟甲基)磺酰基]甲烷磺酰胺盐),所述Spiro-OMeTAD为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴。5.根据权利要求1或2所述一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池,其特征在于,所述衬底为玻璃或透明塑料薄膜;所述阴极层为铟掺杂的氧化锡薄膜、氟掺杂的氧化锡薄膜、铝掺杂的氧化锌薄膜;所述阳极修饰层为MoO3薄膜,所述阳极修饰层的厚度为10~14nm;所述阳极为金属银或金薄膜,所述阳极的厚度为80~100nm。6.权利要求1~5任一项所述一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)在衬底上...

【专利技术属性】
技术研发人员:周颖芝王晶薛启帆
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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