一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法，该方法包含：在透明导电衬底上旋涂空穴传输层，在60～100℃退火处理；将钙钛矿层旋涂于空穴传输层上，在80～140℃退火处理；将旋涂钙钛矿层后的材料置于湿度为24～39％的空气环境中静置；将电子传输层旋涂在钙钛矿层上，在80～100℃退火处理；将阴极修饰层旋涂在电子传输层上；将金属电极真空蒸镀在阴极修饰层上。本发明专利技术的方法利用空气中无处不在的水分对钙钛矿薄膜进行处理，使得钙钛矿薄膜与空气充分接触，在水分的作用下使钙钛矿分解再重结晶，以增大钙钛矿晶粒，减少晶界面积，降低缺陷态密度，改善界面电荷传输，从而提高PSCs器件性能。

An efficient and stable preparation method of perovskite solar cell

【技术实现步骤摘要】
一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法
本专利技术涉及一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，具体涉及一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法。
技术介绍
面临着资源匮乏和环境恶化的问题，对于新能源的寻找成为了当前的首要问题，太阳能作为一种分布最广能量大的可再生的新能源，成为了人们追捧的对象，为充分的利用太阳能，只有将其通过太阳能电池将其转换成应用最为广泛的电能。太阳能电池的发展历程可分为三代，第一代与第二代因为成本高、难以制造等因素而无法大规模的生产应用，而第三代太阳能电池具有成本低、效率高和可柔性化等优点而备受青睐。在第三代新型太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因具有高吸收系数、长扩散范围和高电荷迁移率等优点而成为被竞相研究的对象(J.M.Frost,NanoLetters,14(2014):2584-2590；Q.Dong,science,347(2015):967-70)，自2009年首次报道以来，PSCs已经从最初的3.8％的光电转换效率(PCE)在短短的十年时间里提升到24.66％(A.Kojima,JournaloftheAmericanChemicalSociety,131(2009):6050-6051；Y.Deng,NatureEnergy,3(2018):560-566；M.Saliba,Science,354(2016):206-209；H.Min,Science,366(2019):749-753)。虽然PSCs在性能上取得了极大地进步，但是因性能、稳定性与自身的毒性等问题使其无法生产应用，其中性能是限制其应用的最主要的因素。影响性能的原因除自身材料的性质以外，更多的是来自存在于表面与晶界的缺陷(B.Chen,ChemicalSocietyReviews,48(2019):3842-3867)，而通过溶剂工程处理钙钛矿薄膜，辅助钙钛矿晶粒生长是降低钙钛矿缺陷的有效措施之一，例如：(1)黄劲松课题组通过使用DMF溶剂辅助退火，控制晶粒生长，获得了较大尺寸的钙钛矿晶粒，并且使得钙钛矿薄膜更加致密，降低晶界处缺陷，有效的增加了电荷扩散长度，提高了PSCs效率(Z.Xiao,AdvancedMaterials,26(2014):6503-6509)；(2)J.Mou等人通过使用丁醇辅助钙钛矿退火，调控晶粒的生长速度，促进较大尺寸晶粒的生长，将器件效率从13.50％提升到14.81％(J.Mou,JournalofMaterialsScience:MaterialsinElectronics,30(2019):746-752)；(3)S.Wang等人报道称将DMSO引入到钙钛矿薄膜的退火过程中，能够有效的控制钙钛矿的结晶度，获得大尺寸晶粒，降低缺陷态密度，使得效率有所提升(S.Wang,SuperlatticesandMicrostructures,113(2018):1-12)。虽然使用溶剂辅助退火能够明显的改善PSCs的性能(L.Tian,ACSAppliedEnergyMaterials,2(2019):4954-4963；H.Peng,SurfaceandCoatingsTechnology,359(2019):162-16)，但由于大部分有机溶剂具有易挥发和有毒等原因，使得该处理方法具有局限性。针对上述问题，科学研究人员开创性的提出使用水替代有机溶剂用于钙钛矿薄膜的溶剂退火，但是水会对钙钛矿造成分解，从而影响MAPbI3的钙钛矿构型。但是有报道称将少量的水引入到钙钛矿的结晶过程中，能够促进钙钛矿晶粒的成型和生长(C.Aranda,ChemPhysChem,20(2019):2587-2599；J.Huang,Energy&EnvironmentalScience,10(2017):2284-2311)，其原因是在钙钛矿晶粒成型过程中，通过将水分子引入，会首先造成钙钛矿的分解，然后随着水分的蒸发，又会促使钙钛矿晶粒发生重结晶现象，在重结晶的过程中促进晶粒生长，从而使得晶粒尺寸增大，使得晶界减少，缺陷态密度降低，最终提高器件性能。李永舫课题组便将水蒸气引入钙钛矿的制备过程，用于处理钙钛矿薄膜，利用重结晶原理，得到了高质量的钙钛矿晶粒，并使得器件性能得到提升(B.Wang,JournalofMaterialsChemistryA,4(2016):17267-17273)。T.He等人将水引入到钙钛矿前驱体溶液中，得到了质量较高的钙钛矿薄膜，相对于未加入水的器件而言，稳定性略微有所提升(T.He,SolarEnergyMaterialsandSolarCells,176(2018):280-287)。根据上述例子所言，水的引入的确能够增强器件的性能，但是他们使用的方法在操作上具有诸如使用量的控制上的复杂性等局限性。而在空气中水是无处不在的，因此本专利技术利用空气对钙钛矿薄膜进行后处理，增大钙钛矿晶粒尺寸，降低缺陷态密度，增强电荷传输，实现器件性能的提高。本专利技术具有较大的湿度和温度控制窗口，使得该方法具有广泛的适用性，对制备高效的倒置钙钛矿太阳能电池提供思路，为改变当前能源危机的现状起到积极作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法，能有效钝化钙钛矿表面缺陷，改善界面电荷传输，提高器件的光电转换效率，对倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池的发展以及商业化起到积极作用。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法，该方法包含：在透明导电衬底上旋涂空穴传输层，该空穴传输层的厚度为5～20nm，在60～100℃退火处理；将钙钛矿层旋涂于所述空穴传输层上，该钙钛矿层的厚度为300nm～1.5μm，在80～140℃退火处理；将旋涂所述钙钛矿层后的材料置于湿度为24～39％的空气环境中静置；将电子传输层旋涂在所述钙钛矿层上，该电子传输层的厚度为10～30nm，在80～100℃退火处理；将阴极修饰层旋涂在所述电子传输层上；将金属电极真空蒸镀在所述阴极修饰层上，该金属电极的厚度为80～120nm。本专利技术通过控制各层的厚度和退火温度，以使制备的太阳能电池的界面电荷传输得到改善，光电转换效率提高。其中，各镀层厚度会影响电子的迁移和收集，以及造成缺陷的引入，因此本专利技术控制各镀层厚度在适宜的范围内。而退火温度对材料的结晶和分解会有影响，从而影响电池的性能。当退火温度过低时，材料结晶不完全；当退火温度过高时，会造成材料的分解。优选地，所述透明导电衬底的材料包含：氧化锡类或纳米线类；其中，所述氧化锡类包含：氟掺杂的氧化锡(FTO)或铟掺杂的氧化锡(ITO)；所述纳米线类包含：活性炭纤维织物(CNW)、银纳米线(SNW)和铜纳米线(CuNW)中任意一种。优选地，所述空穴传输层的材料包含：聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)、聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)、金属氧化物类和氧化石墨烯(GO)中任意一种或两种以上；其中，所述金属氧化物类包含：V2O5、NiOx、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法包含：/n在透明导电衬底上旋涂空穴传输层，该空穴传输层的厚度为5～50nm，在60～100℃退火处理；/n将钙钛矿层旋涂于所述空穴传输层上，该钙钛矿层的厚度为300nm～1.5μm，在80～140℃退火处理；/n将旋涂所述钙钛矿层后的材料置于湿度为24～39％的空气环境中静置；/n将电子传输层旋涂在所述钙钛矿层上，该电子传输层的厚度为10～30nm，在80～100℃退火处理；/n将阴极修饰层旋涂在所述电子传输层上；/n将金属电极真空蒸镀在所述阴极修饰层上，该金属电极的厚度为80～120nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法包含：
在透明导电衬底上旋涂空穴传输层，该空穴传输层的厚度为5～50nm，在60～100℃退火处理；
将钙钛矿层旋涂于所述空穴传输层上，该钙钛矿层的厚度为300nm～1.5μm，在80～140℃退火处理；
将旋涂所述钙钛矿层后的材料置于湿度为24～39％的空气环境中静置；
将电子传输层旋涂在所述钙钛矿层上，该电子传输层的厚度为10～30nm，在80～100℃退火处理；
将阴极修饰层旋涂在所述电子传输层上；
将金属电极真空蒸镀在所述阴极修饰层上，该金属电极的厚度为80～120nm。


2.根据权利要求1所述的高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述透明导电衬底的材料包含：氧化锡类或纳米线类；其中，所述氧化锡类包含：氟掺杂的氧化锡或铟掺杂的氧化锡；所述纳米线类包含：活性炭纤维织物、银纳米线和铜纳米线中任意一种。


3.根据权利要求1所述的高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述空穴传输层的材料包含：聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]、聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)、金属氧化物类和氧化石墨烯中任意一种或两种以上；其中，所述金属氧化物类包含：V2O5、NiOx、WO3和MoOx中任意一种或两种以上。


4.根据权利要求1所述的高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿层的材料为具有钙钛矿结构的金属卤化物。


5.根据权利要求4所述的高效稳定钙钛矿太阳能电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊健，代忠军，何珍，范宝锦，刘伟之，赵倩，薛小刚，蔡平，张坚，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45