基于双钙钛矿材料的太阳能电池及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种以双钙钛矿材料为吸收层的钙钛矿太阳能电池。其自下而上包括透明导电衬底、电子传输层、双钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极。该双钙钛矿采用分子式为A

【技术实现步骤摘要】
基于双钙钛矿材料的太阳能电池及制备方法
本专利技术属于电子器件
，更进一步涉及一种钙钛矿太阳能电池，可用于通信光伏系统、交通光伏系统以及用户太阳能电源。
技术介绍
钙钛矿太阳能电池作为一种新型的太阳能电池，可以用溶液法进行加工处理，还可以和印刷工艺结合，极大地节省生产成本。同时钙钛矿太阳能电池还具有轻、薄的特性，并可以沉积在柔性衬底上。传统钙钛矿材料MAPbI3具有非常优秀的光电性能，其禁带宽度在1.55-1.6eV，光吸收范围宽，载流子的迁移距离长，激子结合能低，而且具有双极性，不仅能吸收光能产生光生电子空穴对，而且还能起到传输载流子的作用，既能传输电子，也能传输空穴。这些优点有利于对光的吸收以及光生载流子的传输和迁移，因此使其成为一种被广泛研究的材料。近几年，钙钛矿太阳能电池在光电转化效率，制备方法和器件结构上都有了显著提升，其结构包括透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极。但是有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池普遍存在的问题是水稳定性和空气稳定性差以及毒性元素铅引起的环境问题。储天新能源科技(长春)有限公司在申请号：201811469181.7的专利申请文献中公开了一种制备钙钛矿太阳能电池的方法。该方法采用ITO作为透明导电衬底，采用旋涂法制备Spiro-OMeTAD(2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴))作为空穴传输层，采用一步法或者两步法制备钙钛矿吸收层，采用喷涂法制备大面积SnO2作为电子传输层，采用蒸镀法制备金属电极,实现效率达到17.68％，且有利于大面积生产。但是该方法采用CH3NH2PbI3材料制备的光吸收层由于含有有机基团，在空气中稳定性差，并含有有毒元素铅，限制了钙钛矿太阳能电池的性能和广泛的应用于生活。镇江市双利光电科技有限公司在申请号：201410824806.2的专利文献中公开了一种制备锡基钙钛矿太阳能电池的方法。该方法采用TCO作为阳极，采用旋涂法制备TiO2作为电子传输层，采用旋涂法制备Spiro-OMeTAD(2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴))作为空穴传输层，采用一步法制备锡钙钛矿吸收层，采用蒸镀法制备金属银电极。该制备方法利用锡代替了传统铅钙钛矿中的铅元素，大大减小了太阳能电池的毒性以及污染性。但是锡元素在传统的ABX3结构里表现为+2价，极易被氧化为+4价，因而这种ABX3结构的锡基钙钛矿极其不稳定，导致太阳能电池的稳定性存在较大的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有的不足，提出一种以双钙钛矿为吸收层的太阳能电池及制备方法，以提高太阳能电池在空气中的稳定性，同时减少钙钛矿中有毒铅元素，扩大其应用泛围。本专利技术的技术方案是这样实现的：1.一种基于双钙钛矿材料的太阳能电池，自下而上包括透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极，其特征在于，钙钛矿吸光层采用无毒铅元素的双钙钛矿材料，以提高太阳能电池稳定性。进一步，所述双钙钛矿材料为A2BⅠBⅢX6结构，A为一价阳离子，BⅠ为一价金属阳离子，BⅢ为三价金属阳离子，其中一价阳离子A采用K+、Rb+、Cs+中的任意一种离子及任意几种离子的组合；一价金属阳离子BⅠ采用Cu+、Ag+、Au+、Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、In+中的任意一种离子及任意几种离子的组合；三价金属阳离子BⅢ采用As3+、Bi3+、Rh3+、Sb3+、Cr3+、Co3+、Ga3+、Fe3+、Ru3+、In3+、Ir3+、Au3+、Y3+中的任意一种离子及任意几种离子的组合；一价卤素阴离子X采用Cl-、Br-、I-中的任意一种离子及任意几种离子的组合。进一步，所述透明导电衬底采用氧化铟锡ITO或氟掺杂氧化锡FTO材料。2..一种以双钙钛矿材料为吸收层的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，包括如下：1)选用透明导电衬底，并进行预处理：2)采用旋涂法将电子传输层前驱体溶液旋涂于预处理后的衬底上，再对旋涂后的衬底进行退火处理，得到制备好的电子传输层；3)配制双钙钛矿溶液：一步法旋涂溶液：将AX粉末、BⅠX粉末、BⅢX3粉末按照2：1：1的比例溶于二甲基亚砜DMSO、γ-丁内酯GBL、异丙醇IPA的一种或多种有机溶液中，并在热台搅拌形成双钙钛矿A2BⅠBⅢX6溶液，用于一步法旋涂；两步旋涂溶液：先将BⅠX粉末、BⅢX3粉末按1：1的比例溶于二甲基甲酰胺DMF有机溶液中得到BⅠX、BⅢX3的前驱体溶液，再将AX粉末溶于二甲基亚砜DMSO、γ-丁内酯GBL异丙醇IPA的一种或多种有机溶液中，得到AX的前驱体溶液；该BⅠX、BⅢX3的前驱体溶液和AX的前驱体溶液用于两步法旋涂；4)采用一步法或者两步法，将与其对应的溶液涂布于制备好的电子传输层上，并对旋涂后的器件进行退火处理，得到制备好的钙钛矿吸收层；5)采用旋涂法将空穴传输层溶液沉积在制备好的钙钛矿吸收层上，得到空穴传输层；6)使用真空镀膜仪，将金属电极蒸镀在空穴传输层上,得到制备好的金属电极，完成钙钛矿太阳能电池的制备。与现有技术相比，本专利技术由于采用双钙钛矿材料作为钙钛矿太阳能电池的吸收层，具有如下优点：第一，减少或者消除了传统铅钙钛矿中的毒性元素。本专利技术通过用无毒的金属元素部分或者全部替代铅元素，能有效的减少或者消除钙钛矿的毒性，使的双钙钛矿更有利于商业化生产和大面积的使用。第二，提高了太阳能电池的稳定性。本专利技术用全无机的离子构成的双钙钛矿结构，具有比有机无机杂化钙钛矿更好的稳定性。第三，提高了太阳能电池在可见光长波区域及红外区域的光吸收系数，有利于提高钙钛矿薄膜的光电响应。附图说明图1为本专利技术钙钛矿太阳能电池的结构图。图2为本专利技术制备钙钛矿太阳能电池的流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例做进一步详细说明。参照图1，本专利技术的钙钛矿太阳能电池，自下而上依次包括透明导电衬底1、空穴传输层2、钙钛矿光吸收层3、电子传输层4和金属电极5。其中：所述透明导电衬底1采用氧化铟锡ITO或氟掺杂氧化锡FTO材料，其厚度为200-900nm；所述电子传输层2的前驱溶液采用二氧化钛TiO2溶液、二氧化锡SnO2溶液、氧化锌ZnO溶液、C60溶液、[6,6]-苯基C61丁酸甲酯PCBM溶液中的任意一种，其厚度为50-500nm；所述钙钛矿吸光层3采用双钙钛矿材料，其结构为A2BⅠBⅢX6，其中A为一价阳离子，BⅠ为一价金属阳离子，BⅢ为三价金属阳离子，其中一价阳离子A采用K+、Rb+、Cs+中的任意一种离子及任意几种离子的组合；一价金属阳离子BⅠ采用Cu+、Ag+、Au+、Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、In+中的任意一种离子及任意几种离子的组合；三价金属阳离子BⅢ采用As3+、Bi3+、Rh3+、Sb3+、Cr3+、Co3+、Ga3+、Fe3+、Ru3+、In3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双钙钛矿材料的太阳能电池，自下而上包括透明导电衬底(1)、电子传输层(2)、钙钛矿吸光层(3)、空穴传输层(4)和金属电极(5)，其特征在于，钙钛矿吸光层(3)采用无毒铅元素的双钙钛矿材料，以提高太阳能电池稳定性。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于双钙钛矿材料的太阳能电池，自下而上包括透明导电衬底(1)、电子传输层(2)、钙钛矿吸光层(3)、空穴传输层(4)和金属电极(5)，其特征在于，钙钛矿吸光层(3)采用无毒铅元素的双钙钛矿材料，以提高太阳能电池稳定性。


2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述双钙钛矿材料为A2BⅠBⅢX6结构，A为一价阳离子，BⅠ为一价金属阳离子，BⅢ为三价金属阳离子，其中一价阳离子A采用K+、Rb+、Cs+中的任意一种离子及任意几种离子的组合；一价金属阳离子BⅠ采用Cu+、Ag+、Au+、Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、In+中的任意一种离子及任意几种离子的组合；三价金属阳离子BⅢ采用As3+、Bi3+、Rh3+、Sb3+、Cr3+、Co3+、Ga3+、Fe3+、Ru3+、In3+、Ir3+、Au3+、Y3+中的任意一种离子及任意几种离子的组合；一价卤素阴离子X采用Cl-、Br-、I-中的任意一种离子及任意几种离子的组合。


3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，透明导电衬底(1)采用氧化铟锡ITO或氟掺杂氧化锡FTO材料。


4.一种以双钙钛矿材料为吸收层的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，包括如下：
1)选用透明导电衬底，并进行预处理：
2)采用旋涂法将电子传输层前驱体溶液旋涂于预处理后的衬底上，再对旋涂后的衬底进行退火处理，得到制备好的电子传输层；
3)配制双钙钛矿溶液：
一步法旋涂溶液：将AX粉末、BⅠX粉末、BⅢX3粉末按照2：1：1的比例溶于二甲基亚砜DMSO、γ-丁内酯GBL、异丙醇IPA的一种或多种有机溶液中，并在热台搅拌形成双钙钛矿A2BⅠBⅢX6溶液，用于一步法旋涂；
两步旋涂溶液：先将BⅠX粉末、BⅢX3粉末按1：1的比例溶于二甲基甲酰胺DMF有机溶液中得到BⅠX、BⅢX3的前驱体溶液，再将AX粉末溶于二甲基亚砜DMSO、γ-丁内酯GBL异丙醇IPA的一种或多种有机溶液中，得到AX的前驱体溶液；该BⅠX、BⅢX3的前驱体溶液和AX的前驱体溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：常晶晶，林珍华，王璐，苏杰，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61