一种引入硫化物添加剂制备高效钙钛矿太阳能电池的方法技术

一种引入硫化物添加剂制备高效钙钛矿太阳能电池的方法，属于纳米功能器件光伏太阳能电池领域。钙钛矿太阳能电池的结构是介孔型结构：导电衬底、半导体氧化物传输层、介孔层、有机无机杂化的钙钛矿层、空穴传输层以及金属对电极。本发明专利技术在甲基胺碘化铅(MAPbI

A method of preparing high efficiency perovskite solar cell with sulfide additive

【技术实现步骤摘要】
一种引入硫化物添加剂制备高效钙钛矿太阳能电池的方法
本专利技术属于纳米功能器件光伏太阳能电池领域，涉及高效钙钛矿太阳能电池的制备。
技术介绍
能源作为人类生活和社会经济发展的基础，给人类带来了物质文明的空前繁荣发展。然而，随着人类社会的发展，新能源被不断发掘和利用，而旧能源被逐步取代是必然的趋势。19世纪末，随着煤炭和石油的发掘使用，整个世界进入了化石能源时代，这极大的推动了工业的迅速发展和工业革命，进一步促进了人类社会文明的积极发展和前进。而与此同时，传统化石能源让人类感受到便利的同时，也让人类承担了艰难的后果。化石能源在地球上的分布极不均衡，并且终究会枯竭。另外燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾天气和温室效应严重威胁人类社会的可持续发展。太阳能电池能够利用太阳能直接转化为电能，可以为人类社会发展提供取之不尽用之不竭的清洁能源，是人类社会应对能源危机，解决环境问题，寻求可持续发展的重要对策。在众多光电材料体系中，有机-无机杂化钙钛矿材料已成为最重要的研究对象之一。钙钛矿材料具有ABX3结构，其所需的原材料储量丰富，制备工艺简单且可通过低温、低成本的工艺实现高品质的薄膜。2009年日本科学家Miyasaka教授首次将钙钛矿材料作为敏化剂应用于光伏领域，获得了3.81％的光电转化效率。通过各国研究工作者的不懈努力，钙钛矿太阳能电池的能量转换效率在短短几年的时间里迅速增长到24％以上。([1]YangWS,ParkBW,JungEH,etal.Science,2017,356:1376.[2]KimMJ,KimG-H,LeeTK,etal.Joule,2019,3,1-14.)迄今为止，各国研究工作者已经采取了许多方法来改善钙钛矿膜的晶体质量，其中添加剂在钙钛矿晶体生长和结晶过程中发挥着重要作用。([3]SiH,LiaoQ,ZhangZ,etal.NanoEnergy,2016,22:223.[4]SiH,LiaoQ,KangZ,etal.AdvancedFunctionalMaterials,2017,27:1701804.[5]HanT-H,LeeJ-W,ChoiC,etal.Naturecommunications,2019,10,520.)目前，无机酸、金属氯化物盐以及有机化合物类添加剂已被广泛应用于提升钙钛矿光伏器件性能，但仍然存在部分残留与调控能力较弱的问题。([6]PanJ,MuC,LiQ,etalAdvancedMaterials,2016,28:8309.[7]LiW,ZhangC,MaY,etal.Energy&EnvironmentalScience,2018,11:286.[8]WuWQ,YangZB,etal.ScienceAdvances,2019,5:eaav8925)为了进一步调控钙钛矿晶体生长过程，应用可以与钙钛矿前驱体形成更强相互作用的硫化物添加剂，改善钙钛矿薄膜晶体质量，有助于开发具有更优性能的光伏器件，推进钙钛矿太阳能电池的实际应用。
技术实现思路
本专利技术涉及光伏电池，提供了一种制备高效钙钛矿太阳能电池的方法。该种钙钛矿太阳能电池的结构是传统的介孔型结构：导电衬底、半导体氧化物传输层、介孔层、有机无机杂化的钙钛矿层、空穴传输层以及金属对电极。一种引入硫化物添加剂制备高效钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于所述高效钙钛矿太阳能电池的结构是：导电衬底、旋涂制备的半导体氧化物电子传输层、介孔层、引入硫化物添加剂辅助生长制备的有机无机杂化钙钛矿层、空穴传输层以及金属对电极；具体制备步骤如下：(1)将导电基底通过传统基片清洗工艺洗涤，即去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇各超声30min，氮气吹干备用；(2)在导电基底上沉积制备半导体氧化物薄膜为致密层，沉积方法为原子层沉积法、磁控溅射技术、物理气相沉积、热蒸发法化学气相沉积、溶胶凝胶法、旋涂法、水热法、涂布法收集并传输光生电子；(3)将TiO2、ZnO、Al2O3、ZrO2颗粒制成的纳米介孔浆料分散旋涂于处理好的基底上，高温退火处理，得到介孔层；(4)制备甲基碘化铵钙钛矿层，利用一步旋涂法，将适当浓度有机硫化物添加剂加入甲基碘化铵与碘化铅的N-N二甲基甲酰胺、二甲基亚砜的混合溶液，添加剂包括硫代乙酰胺、二甲基硫醚、硫脲、2-吡啶基硫脲、二甲基硫代乙酰胺，混合溶液中N-N二甲基甲酰胺、二甲基亚砜体积比9比1,90-110℃退火15-25min得到所需的钙钛矿薄膜；同样使用一步旋涂法制备三元混合阳离子钙钛矿层，将适当浓度有机硫化物添加剂加入甲脒碘、碘化铅、溴化铅、甲基溴化胺、碘化铯的N-N二甲基甲酰胺、二甲基亚砜的混合溶液，其中N-N二甲基甲酰胺、二甲基亚砜的体积比8比2；90-110℃退火40-50min得到所需的钙钛矿薄膜；(5)配制spiro-MeOTAD的氯苯溶液，添加Li-TFSI与TBP提高空穴传输能力，旋涂制备得到空穴传输层；(6)热蒸镀金或者银电极。进一步地，所述的导电衬底为FTO玻璃、ITO玻璃、柔性PET基底、石墨烯导电基底等。进一步地，所述的半导体氧化物传输层为ZnO、TiO2、NiO或者SnO2薄膜或者该种半导体的阵列结构，厚度在10-200nm，沉积方法优选为旋涂、磁控溅射或者原子层沉积技术。进一步地，所述的介孔半导体材料为TiO2、ZnO、Al2O3、ZrO2颗粒制成的稀释纳米介孔浆料，稀释比例在1-10之间，退火温度在200-800℃之间，旋涂法的转速在1000-5000rpm之间；喷涂法的喷涂温度在100-300℃之间。进一步地，步骤(4)所述的甲基碘化铵与碘化铅的摩尔比为1:1；所述的甲脒碘、碘化铅、溴化铅、甲基溴化胺、碘化铯的摩尔比别为1：1.1:0.22:0.2：0.075。进一步地，引入硫化物添加剂调控钙钛矿吸光层晶体生长过程，通过提升钙钛矿晶体质量改善钙钛矿光伏器件性能；所述引入硫化物添加剂为硫代乙酰胺、二甲基硫醚、硫脲、2-吡啶基硫脲、二甲基硫代乙酰胺，浓度为相对于铅原子摩尔量0.3-2％之间。进一步地，所述有机无机杂化钙钛矿为甲基碘化铵(CH3NH3PbI3)与三元阳离子钙钛矿(Cs0.06FA0.79MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3)，退火温度为100摄氏度，时间在20-45min之间。本专利技术引入硫化物添加剂调控钙钛矿吸光层晶体生长，通过改善钙钛矿晶体质量提升钙钛矿光伏器件性能。所述引入硫化物添加剂为硫代乙酰胺、二甲基硫醚、硫脲、2-吡啶基硫脲，浓度一般为相对于铅摩尔量0.3-2％之间，有机无机杂化钙钛矿为甲基碘化铵(CH3NH3PbI3)与三元阳离子钙钛矿(Cs0.06FA0.79MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3)退火温度为100摄氏度，时间在20-45min之间。本专利技术在传统的有机无机杂化钙钛矿吸光层中引入硫化物添加剂调控其生长过程，实现了高效钙钛矿太阳能电池的构建。引入硫化物添加剂后钙钛矿吸光层晶体质量提升，内部缺陷减少，提升了钙钛矿层光生载流子寿命，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种引入硫化物添加剂制备高效钙钛矿太阳能电池的方法,其特征在于所述高效钙钛矿太阳能电池的结构是：导电衬底、旋涂制备的半导体氧化物电子传输层、介孔层、引入硫化物添加剂辅助生长制备的有机无机杂化钙钛矿层、空穴传输层以及金属对电极；具体制备步骤如下：/n(1)将导电基底通过传统基片清洗工艺洗涤，即去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇各超声30min，氮气吹干备用；/n(2)在导电基底上沉积制备半导体氧化物薄膜为致密层，沉积方法为原子层沉积法、磁控溅射技术、物理气相沉积、热蒸发法化学气相沉积、溶胶凝胶法、旋涂法、水热法、涂布法，收集并传输光生电子；/n(3)将TiO

【技术特征摘要】
1.一种引入硫化物添加剂制备高效钙钛矿太阳能电池的方法,其特征在于所述高效钙钛矿太阳能电池的结构是：导电衬底、旋涂制备的半导体氧化物电子传输层、介孔层、引入硫化物添加剂辅助生长制备的有机无机杂化钙钛矿层、空穴传输层以及金属对电极；具体制备步骤如下：
(1)将导电基底通过传统基片清洗工艺洗涤，即去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇各超声30min，氮气吹干备用；
(2)在导电基底上沉积制备半导体氧化物薄膜为致密层，沉积方法为原子层沉积法、磁控溅射技术、物理气相沉积、热蒸发法化学气相沉积、溶胶凝胶法、旋涂法、水热法、涂布法，收集并传输光生电子；
(3)将TiO2、ZnO、Al2O3、ZrO2颗粒制成的纳米介孔浆料分散旋涂于处理好的基底上，高温退火处理，得到介孔层；
(4)制备甲基碘化铵钙钛矿层，利用一步旋涂法，将适当浓度有机硫化物添加剂加入甲基碘化铵与碘化铅的N-N二甲基甲酰胺、二甲基亚砜的混合溶液，添加剂包括硫代乙酰胺、二甲基硫醚、硫脲、2-吡啶基硫脲、二甲基硫代乙酰胺，混合溶液中N-N二甲基甲酰胺、二甲基亚砜体积比9比1,90-110℃退火15-25min得到所需的钙钛矿薄膜；同样使用一步旋涂法制备三元混合阳离子钙钛矿层，将适当浓度有机硫化物添加剂加入甲脒碘、碘化铅、溴化铅、甲基溴化胺、碘化铯的N-N二甲基甲酰胺、二甲基亚砜的混合溶液，其中N-N二甲基甲酰胺、二甲基亚砜的体积比8比2；90-110℃退火40-50min得到所需的钙钛矿薄膜；
(5)配制spiro-MeOTAD的氯苯溶液，添加Li-TFSI与TBP提高空穴传输能力，旋涂制备得到空穴传输层；
(6)热蒸镀金或者银电极。


2.根据权利要求1所述的引入硫化物添加剂制备高效钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，所述的导电衬底为F...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃，徐晨哲，司浩楠，康卓，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11