旋涂-蒸发两步法的无机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旋涂

【技术实现步骤摘要】
旋涂-蒸发两步法的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法


[0001]本专利技术属于能量转化
，更具体地，涉及一种旋涂-蒸发两步法的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法。

技术介绍

[0002]太阳能作为一种清洁、环保、廉价、储量丰富的可再生能源，受到人们越来越多的关注。在光热转换、光电转换和光化学转换等太阳能利用方式中，光电转换具有永久性、清洁性、灵活性等特点，为太阳能的大规模利用和存储提供了可能。太阳能光电转换的基本装置是太阳能电池，经过多年的发展，各类太阳能电池都取得了长足的进步。目前，技术上比较成熟的是硅基太阳能电池，其中单晶硅基电池的实验室最高效率可达到24.7％，但硅基电池存在制作成本高、生产过程能耗大、环境污染严重、成本回收时间长等问题，限制了其推广应用。而第二代薄膜太阳能电池技术由于比硅基电池更能容忍较高的缺陷密度而得到了迅猛的发展，但其大规模应用也受制于制造成本高、环境污染严重、稀缺元素不可持续发展等问题。近年来，以染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池为代表的第三代太阳能电池，以成本低廉、原料丰富等优势受到业界关注，发展迅速，其光电转换效率最高已经超过13％，可以和非晶硅基电池相媲美，但仍存在稳定性差、机理复杂、难以大规模生产等诸多问题。
[0003]2009年，日本Miyasaka等人在研究敏化太阳电池的过程中，首次使用具有钙钛矿结构的有机金属卤化物CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3作为敏化剂，拉开了钙钛矿太阳电池研究的序幕。钙钛矿太阳电池自2013年开始迅猛发展。Gratzel等人首次采用两步沉积方法制备钙钛矿薄膜，电池效率达到15％。随后Snaith等采用共蒸发方法制备钙钛矿薄膜，形成了一种全新的平面异质结电池，效率达到15.4％。引起了全世界的瞩目。同样是在2013年，Yang等采用溶液法和蒸发法相结合的方法制备钙钛矿薄膜，所得电池效率为12.1％。2014年初，韩国的KRICT研究所已经将钙钛矿电池的转换效率提升到17.9％。到5月份，Yang等更是通过掺Y修饰TiO2层，将转换效率提升到19.3％。从2009年到2018年的短短5年的时间，钙钛矿太阳电池技术取得了突飞猛进的进展，光电转换效率便从3.8％跃升至19.3％，能量转换效率已经超过了染料敏化太阳电池、有机太阳电池和量子点太阳电池。钙钛矿太阳能电池具有光明的应用前景和巨大的竞争潜力。
[0004]虽然钙钛矿电池拥有极具竞争力的转换效率，但其稳定性方面的不足仍制约其商业化发展。相比有机-无机杂化钙钛矿，全无机钙钛矿拥有更有益的稳定性，但其仍面临诸多问题，制约其进一步的发展。一方面全无机钙钛矿的容忍因子相对比较低，因此立方结构的a相在空气中难以稳定存在，极易发生相变形成非光敏性的非光伏相，使得器件性能严重恶化。另一方面，典型的全无机钙钛矿如aCsPbI3的带隙是1.73eV，对应可见光吸收截止只到700nm左右，光谱利用范围的限制导致器件的光电流相对于杂化钙钛矿偏低，进而影响到光电转换效率的提高。此外，利用常见的溶液法制备全无机钙钛矿时，由于前驱液成膜过程中过快的液相反应不易控制以及极性溶剂的强键合能力，容易出现溶质团聚现象，常导致
形成的钙钛矿薄膜出现不均匀多孔洞现象，而这些孔洞处的界面、晶界等缺陷会作为电荷散射和复合的中心，最终影响到器件的电荷输运和光电性能。由团聚现象导致晶体表面和晶界处产生的缺陷态，会减小电荷载流子的扩散长度从而降低器件的光电流输出。旋涂-浸泡法制备出的无基钙钛矿薄膜覆盖率低容易出现孔洞，造成短路。两步蒸发法制备的无机钙钛矿不及溶液法制备的效率高。多步旋涂法制备的电池性能高，但是工艺复杂，需要多步旋涂退火工艺，旋涂所使用的的甲醇溶液对人体有害。

技术实现思路

[0005]本专利技术采用旋涂-蒸发两步法制备的全无机钙钛矿作为光吸收层，光吸收层为CsPbBr3无机钙钛矿层，其通过先旋涂PbBr2再蒸发CsBr的方法制备，解决了CsBr溶解度低的问题，并且避免了有毒溶剂甲醇的使用，并使得PbBr2和CsBr可以充分反应得到纯度更高的CsPbBr3无机钙钛矿层，无机钙钛矿具有更高的湿度和热稳定性，使得电池的制备能够在空气中制备，降低了对于生产设备的要求，有利于电池的大规模生产，且制备的电池稳定性好，电池性能衰减较慢。
[0006]根据本专利技术的目的，提供了一种旋涂-蒸发两步法的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)在导电基底上制备光阳极层；
[0008](2)在步骤(1)所制备的光阳极层上旋涂PbBr2溶液，并进行退火处理以蒸干溶剂，形成PbBr2层；再通过蒸镀的方法在PbBr2层上蒸镀CsBr，并进行退火处理，PbBr2和CsBr相互扩散形成CsPbBr3无机钙钛矿层；
[0009](3)在步骤(2)所形成的CsPbBr3无机钙钛矿层上制备空穴传输层；
[0010](4)在步骤(3)所制备的空穴传输层上印刷导电碳浆料，制备碳对电极层，烘干后即得到无机钙钛矿太阳能电池。
[0011]优选地，步骤(2)所述通过蒸镀的方法在PbBr2层上蒸镀CsBr具体为：先将CsBr加热升华成蒸气，该蒸气遇到PbBr2层后在PbBr2表面形成CsBr。
[0012]优选地，步骤(2)中对PbBr2溶液进行退火的温度为70℃-90℃，蒸镀CsBr后进行退火的温度为200℃-350℃。
[0013]优选地，所述CsPbBr3无机钙钛矿层的厚度为300-400nm。
[0014]优选地，步骤(1)所述制备光阳极层具体为：旋涂钛酸异丙酯溶液，并在400℃-500℃条件下进行退火处理，形成光阳极的TiO2层；在该TiO2层上旋涂氯化亚锡或氯化锡溶液，并在180℃-200℃条件下进行退火处理，形成TiO2和SnO2双层结构光阳极；所述TiO2和SnO2双层结构光阳极的TiO2层厚度为10-30nm，SnO2层厚度为10-30nm。
[0015]优选地，步骤(3)所述制备空穴传输层具体为：在CsPbBr3无机钙钛矿层上蒸镀酞菁铜或聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]，形成空穴传输层；所述空穴传输层厚度为20-30nm。
[0016]优选地，步骤(4)中导电碳浆料通过丝网印刷成膜铺设在空穴传输层上。
[0017]优选地，所述碳对电极层的厚度为10-100μm。
[0018]优选地，所述导电基底为柔性基底；
[0019]优选地，所述导电基底为镀有掺氟氧化锡或掺锡氧化铟的玻璃基底。
[0020]优选地，步骤(1)中在制备光阳极层之前，还包括对导电基底进行预处理的步骤，具体为：分别用丙酮和乙醇超声清洗15-20min，以去除导电基底表面的有机物，然后用去离子水洗净，最后放入紫外臭氧清洗机中处理30-40min进行表面改性，使得导电基底表面的羟基增加而增强亲水性。
[0021]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0022](1)本专利技术采用蒸镀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋涂-蒸发两步法的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在导电基底上制备光阳极层；(2)在步骤(1)所制备的光阳极层上旋涂PbBr2溶液，并进行退火处理以蒸干溶剂，形成PbBr2层；再通过蒸镀的方法在PbBr2层上蒸镀CsBr，并进行退火处理，PbBr2和CsBr相互扩散形成CsPbBr3无机钙钛矿层；(3)在步骤(2)所形成的CsPbBr3无机钙钛矿层上制备空穴传输层；(4)在步骤(3)所制备的空穴传输层上印刷导电碳浆料，制备碳对电极层，烘干后即得到无机钙钛矿太阳能电池。2.如权利要求1所述的旋涂-蒸发两步法的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述通过蒸镀的方法在PbBr2层上蒸镀CsBr具体为：先将CsBr加热升华成蒸气，该蒸气遇到PbBr2层后在PbBr2表面形成CsBr。3.如权利要求1所述的旋涂-蒸发两步法的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中对PbBr2溶液进行退火的温度为70℃-90℃，蒸镀CsBr后进行退火的温度为200℃-350℃。4.如权利要求1所述的旋涂-蒸发两步法的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述CsPbBr3无机钙钛矿层的厚度为300-400nm。5.如权利要求1所述的旋涂-蒸发两步法的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述制备光阳极层具体为：旋涂钛酸异丙酯溶液，并在400℃-500℃条件下进行退火处理，形成光阳极的TiO2层；...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖广兰，叶海波，刘智勇，刘星月，张许宁，史铁林，汤自荣，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：