一种无机钙钛矿太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种无机钙钛矿太阳电池及其制备方法；该电池相对于传统的钙钛矿太阳电池，改变了传统的前驱体溶液组分，优化组分中的甲酸根离子和氢离子会在制备过程中自发形成作用力，从而阻止组分随溶剂的挥发而形成钙钛矿相，减缓了结晶速度，极大减弱了水分对退火前吸光层薄膜的影响。用这种方法制备的钙钛矿薄膜保证了组装后器件的光电转换效率，解决了吸光层薄膜在高湿环境下稳定性差的问题。

An inorganic perovskite solar cell and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种无机钙钛矿太阳电池及其制备方法
本专利技术属于薄膜太阳能
，具体涉及一种无机钙钛矿太阳电池及其制备方法。
技术介绍
社会的可持续发展离不开能源的持续供应，但随着社会发展速度加快，传统能源的供不应求，新能源的研究和发展迫在眉睫。目前，太阳能已被证明是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，所以对太阳电池的研究和发展已逐渐成为目前新能源研究的一个重要方向。现在钙钛矿太阳电池由于其低成本和较好的发展前景受到了科学界的关注。其中，全无机钙钛矿太阳电池更是以其优异的光稳定性和热稳定性成为了研究重点。但其组装须在氮气环境下进行，这对组装条件提出了很高要求，即须装配昂贵的氮气系统和设备，且占据了一定空间。如果去除氮气环境在空气中组装钙钛矿薄膜，由于其结晶速度过快且遇水汽容易相变，器件的光电转换效率会降低且稳定性会变差。因此，在空气中制备全无机钙钛矿太阳电池的关键是如何减缓钙钛矿薄膜的结晶速度和降低水分对钙钛矿薄膜的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种无机钙钛矿太阳电池及其制备方法；以解决空气中制备无机钙钛矿太阳电池结晶速度过快且水分对钙钛矿薄膜影响的问题。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种制备无机钙钛矿太阳电池的方法，包括以下步骤：步骤1，清洗导电玻璃基底；步骤2，在导电玻璃基底上制备电子传输层；步骤3，在电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液后退火，制得钙钛矿吸收层，所述钙钛矿前驱体溶液的溶质由HPbI2、HPbBr2及CHCsO2按照CsPbX3的摩尔比混合，X为I和Br；溶剂为DMSO；步骤4，在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层；步骤5，在空穴传输层上制备金属电极；步骤1-步骤4中在空气环境中制备，步骤5在真空环境下制备。本专利技术的进一步改进在于：优选的，步骤3中，所述钙钛矿前驱体溶液的浓度为0.9-1.2mol/mL。优选的，步骤3中，旋涂分为两个阶段，第一阶段旋涂转速为800-1000rpm，旋涂时间为10～30s；第二阶段旋涂转速为3000-4000rpm，旋涂时间为30～50s；旋涂过程中对基底进行加热。优选的，步骤3中，旋涂过程中加热温度为50-85℃。优选的，步骤3中，退火温度为200-300℃，退火时间为5-20min。优选的，所述电子传输层的制备方法为水热保温沉积法，电子传输层的材料为TiO2。优选的，所述空穴传输层的材料为PTAA，空穴传输层的制备方法为旋涂法。优选的，所述金属电极为金电极。一种通过上述任意一项方法制备的无机钙钛矿太阳电池，包括从下到上依次堆叠的玻璃基底、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极，所述钙钛矿吸收层为CsPbX3，X为I和Br。优选的，所述钙钛矿吸收层的厚度为400-600nm。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开了一种无机钙钛矿太阳电池的方法；该钙钛矿太阳电池的整个制备过程在空气中进行，相对于传统的钙钛矿太阳电池的制备过程，本专利技术的方法改变了传统的前驱体溶液组分，优化组分中的甲酸根离子和氢离子会在制备过程中自发形成作用力，从而阻止组分随溶剂的挥发而形成钙钛矿相，减缓了结晶速度，极大减弱了水分对退火前吸光层薄膜的影响。具体来说，本专利技术在制备钙钛矿吸收层时，当溶液旋涂在基底上后，溶剂蒸发，前驱体溶液中在旋涂过程中会自发产生化学反应HCOOCs+HPbX3→HCOOH·Cs++PbX3-，使得形成的钙钛矿薄膜并不会立即形成钙钛矿相，在退火前的钙钛矿薄膜始终以上述的HCOOH·Cs+和PbX3-形式存在，而须通过退火越过反应势垒才能进一步发生反应HCOOH·Cs++PbX3-→HCOOH+CsPbX3，形成钙钛矿相的α相；常规的钙钛矿制备过程中，当制备环境较为潮湿时，由于制备过程中水会使钙钛矿发生相变(由目标α相变为δ相，δ相为非钙钛矿相，因此为非目标相)，而以上反应的存在防止了制备过程中自发形成钙钛矿，从而有效排除了制备过程中湿度的影响而形成δ相的情况，并且上述反应式说明前驱体薄膜中存在分子间作用力，使得钙钛矿薄膜结晶速度减慢，晶粒变大，从而增大了薄膜稳定性和器件性能。用这种方法制备的钙钛矿薄膜保证了组装后器件的光电转换效率，解决了吸光层薄膜在高湿环境下稳定性差的问题。本专利技术的方法适用于环境湿度较高的情况，试验证明发现，在环境湿度90％时，仍然能够制备出结构晶粒形态好的钙钛矿薄膜。进一步的，旋涂过程中对基底进行加热，可以有效调控钙钛矿初步结晶的速率，并且可以增加钙钛矿薄膜的厚度，从而提高最终器件的电流。进一步的，旋涂后对钙钛矿吸收层进行退火处理，使得前驱体薄膜组分越过反应势垒，前驱体薄膜以一定速度开始结晶，形成钙钛矿相。进一步的，通过水热保温沉积法制备电子传输层能够形成光滑平整的电子传输层，且通过改变反应时间还可以调控电子传输层的厚度。进一步的，空穴传输层的材料为PTAA，相较其他材料来说有较好的疏水性，且由于其目前工艺较为成熟，运用较为广泛。本专利技术还公开了一种无机钙钛矿太阳电池，该钙钛矿太阳电池对制备环境没有特殊要求，即便在高湿度环境下也能够制备出性能优异的钙钛矿太阳电池，该钙钛矿太阳电池的钙钛矿薄膜晶粒均匀，在高湿度环境下转换效率能够达到15.11％，其性能优于通过传统方法制备出的无机钙钛矿太阳电池。【附图说明】图1是本专利技术实施例1中所述的全无机钙钛矿太阳电池的结构示意图；其中，1为导电玻璃基底；2为电子传输层；3为钙钛矿光吸收层；4为空穴传输层；5为金属电极。图2是本专利技术实施例1中所述在大气湿度为90％中制备的全无机钙钛矿太阳电池的J-V曲线；图3是钙钛矿吸光层薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图；其中，(a)为对比例制备的钙钛矿薄膜的SEM图；(b)为本专利技术实施例1中所述的方法制备的钙钛矿薄膜的SEM图。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。本专利技术公开了一种高湿环境下制备的无机钙钛矿太阳电池及其制备方法。该方法可以降低钙钛矿薄膜的结晶速率，克服了高湿度对钙钛矿前驱体薄膜的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，清洗导电玻璃基底(1)；/n步骤2，在导电玻璃基底(1)上制备电子传输层(2)；/n步骤3，在电子传输层(2)上旋涂钙钛矿前驱体溶液后退火，制得钙钛矿吸收层(3)，所述钙钛矿前驱体溶液的溶质由HPbI

【技术特征摘要】
1.一种制备无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，清洗导电玻璃基底(1)；
步骤2，在导电玻璃基底(1)上制备电子传输层(2)；
步骤3，在电子传输层(2)上旋涂钙钛矿前驱体溶液后退火，制得钙钛矿吸收层(3)，所述钙钛矿前驱体溶液的溶质由HPbI2、HPbBr2及CHCsO2按照CsPbX3的摩尔比混合，X为I和Br；溶剂为DMSO；
步骤4，在钙钛矿吸收层(3)上制备空穴传输层(4)；
步骤5，在空穴传输层(4)上制备金属电极(5)；
步骤1-步骤4中在空气环境中制备，步骤5在真空环境下制备。


2.根据权利要求1所述的一种制备无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，步骤3中，所述钙钛矿前驱体溶液的浓度为0.9-1.2mol/mL。


3.根据权利要求1所述的一种制备无机钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，步骤3中，旋涂分为两个阶段，第一阶段旋涂转速为800-1000rpm，旋涂时间为10～30s；第二阶段旋涂转速为3000-4000rpm，旋涂时间为30～50s；旋涂过程中对基底进行加热。


4.根据权利要求3所述的一种制备无机钙钛矿太阳电池的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘治科，段晨阳，崔健，韩玉，赵欢，杨少敏，刘生忠，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61