一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开的一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池器件技术领域。包括依次连接后形成整体太阳能电池的高透玻璃层、透明电极层、超薄氧化铝层、钙钛矿活性层、空穴传输层和金属对电极层。相对于传统的钙钛矿太阳能电池结构，以超薄氧化铝层代替传统的电子传输层。合适条件下制备的寡原子级别氧化铝薄膜可以允许钙钛矿电池由光照产生的电子隧穿至透明电极，同时有效阻隔空穴的传导和复合，因此可以此结构代替传统电池结构中的电子传输层。在此基础上构建得到的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，在保证良好性能的前提下，能够简化太阳能电池的结构和制备步骤、减少制备周期，降低成本。

【技术实现步骤摘要】
一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于太阳能电池器件
，涉及一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
钙钛矿型太阳能电池(perovskitesolarcells)，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。而且，因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。然后，这些未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿层传输到等电子传输层，最后被ITO收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集，当然，这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失，如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合(钙钛矿层不致密的情况)、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能，这些载流子的损失应该降到最低。最后，通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。目前，钙钛矿太阳能电池发展现状良好，但复杂的制备工艺和制备周期使制造成本居高不下，极大地限制了钙钛矿太阳电池的发展。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，在获得高性能太阳电池的前提下，简化了结构和制造步骤，大大减少了成本和制造周期。本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术公开了一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，包括依次连接后形成整体太阳能电池的高透玻璃层、透明电极层、超薄氧化铝层、钙钛矿活性层、空穴传输层和金属对电极层；超薄氧化铝层的厚度为2～5nm。优选地，透明电极层为FTO、ITO或AZO。优选地，钙钛矿活性层的材料为MAPbBr3或FAPbBr3。进一步优选地，钙钛矿活性层的厚度为400～600nm优选地，空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD、PTAA、氧化镍、碘化亚铜、PEDOT：PSS、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类或丁二烯类。进一步优选地，空穴传输层的厚度为100～150nm。优选地，金属对电极层材料为金、银、铝或铂。进一步优选地，金属对电极层的厚度为75～125nm。本专利技术公开的上述具有简化结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：步骤1：在高透玻璃层上制备透明电极层；步骤2：在透明电极层上采用原子层沉积、气相沉积、磁控溅射或旋涂方法制备超薄氧化铝层；步骤3：在超薄氧化铝层上制备钙钛矿活性层；步骤4：在钙钛矿活性层上采用刮刀涂布制备空穴传输层；步骤5：在空穴传输层采用热蒸发、磁控溅射、原子沉积或激光沉积方法制备金属对电极层。优选地，步骤2采用原子层沉积法，具体为：采用氩气载三甲基铝和水两种反应气体，交替以脉冲的形式充入反应室，按照脉冲时间0.015s、停留时间60s交替一次为一个循环，进行5～30次循环。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术公开的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，相对于传统的钙钛矿太阳能电池结构，以超薄氧化铝层代替传统的电子传输层。合适条件下制备的寡原子级别氧化铝薄膜可以允许钙钛矿电池由光照产生的电子隧穿至透明电极，同时有效阻隔空穴的传导和复合，因此可以此结构代替传统电池结构中的电子传输层。在此基础上构建得到的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，在保证良好性能的前提下，能够简化太阳能电池的结构和制备步骤、减少制备周期，降低成本。本专利技术公开的上述具有简化结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，超薄氧化铝层可以在低温条件下进行制备，相比传统电池结构中必须使用高温烧结制备(>450℃)的TiO2介孔层，其成本、能耗和工艺被大大降低和简化。附图说明图1为本专利技术的整体结构正视示意图。图中，100-高透玻璃层，102-透明电极层，104-超薄氧化铝层，106-钙钛矿活性层，108-空穴传输层，110-金属对电极层。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细描述：如图1，为本专利技术的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，包括依次连接后形成整体太阳能电池的高透玻璃层100、透明电极层102、超薄氧化铝层104、钙钛矿活性层106、空穴传输层108和金属对电极层110。高透玻璃层100和透明电极层102：此产品有规模化量产品可使用，采用沉积在高透玻璃上的FTO(或ITO、AZO等)透明电极为器件的基底，面积不限，且FTO等透明电极的形状、面积、厚度等都可通过工艺手段控制；使用前，应将电极表面依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理15分钟，然后使用紫外光清洗机清洁10分钟，氮气流吹干备用。本层也可以使用制备在柔性透光基底(如PET等)上的透明电极产品，以适应柔性器件的制备。超薄氧化铝层104：本专利技术的核心部分，可以采用原子层沉积、气相沉积、磁控溅射、旋涂等方法进行制备。特别的，采用原子层沉积方法制备该层，具体为：两种反应气体分别为氩气(Ar，纯度≥99.999％)载三甲基铝(Al(CH3)3)，和水(H2O)；两者交替以脉冲的形式充入反应室，脉冲时间优选0.015s，停留时间60s，交替一次为一个循环，可考虑使用5-30次循环制备不同厚度的氧化铝层，优选10次，制得超薄氧化铝层104为2-5nm左右。在超薄氧化铝层104上制备的钙钛矿活性层106，结构为ABXnY3-n(A＝Cs或RNH3或其任意比例的混合，R为适合的烃基；B＝Pb或Sn或其任意比例的混合；X，Y＝Cl，Br，I；n为0-3的实数)，优选使用MAPbI3或者FAPbI3，通常采用旋涂法、气相沉积、磁控溅射等方法形成，也可以采用适用于柔性及大规模制备的卷对卷工艺进行制备，即将活性材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。特别的，在刮刀涂布方法中其溶剂为DMF，将钙钛矿配成质量分数为15-30％的浆料，优选25％；刮刀涂布速度为20-40mm/s，优选为30mm/s；涂布温度为室温；刮刀与基底间距为50-75μm；涂布后经氮气中100-150℃退火10-40分钟，优选110℃，30分钟。得到的钙钛矿活性层106厚度约为400-600nm。在钙钛矿活性层106上制备得到的空穴传输层108，其特点为与钙钛矿活性材料能级相匹配的有机、无机材料，如Spiro-OMeTAD、PTAA、氧化镍、碘化亚铜、PEDOT：PSS、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类、丁二烯类等。特别的，使用刮刀涂布方法制备该层：使用的浆料为商品化PEDOT：PSS(AI4083)水溶液，使用异丙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括依次连接后形成整体太阳能电池的高透玻璃层(100)、透明电极层(102)、超薄氧化铝层(104)、钙钛矿活性层(106)、空穴传输层(108)和金属对电极层(110)；超薄氧化铝层(104)的厚度为2～5nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括依次连接后形成整体太阳能电池的高透玻璃层(100)、透明电极层(102)、超薄氧化铝层(104)、钙钛矿活性层(106)、空穴传输层(108)和金属对电极层(110)；超薄氧化铝层(104)的厚度为2～5nm。


2.根据权利要求1所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，透明电极层(102)为FTO、ITO或AZO。


3.根据权利要求1所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，钙钛矿活性层(104)的材料为MAPbBr3或FAPbBr3。


4.根据权利要求3所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，钙钛矿活性层(104)的厚度为400～600nm。


5.根据权利要求1所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，空穴传输层(108)的材料为Spiro-OMeTAD、PTAA、氧化镍、碘化亚铜、PEDOT：PSS、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类或丁二烯类。


6.根据权利要求5所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，空穴传输层(106)的厚度为100～15...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦校军，赵志国，赵东明，肖平，董超，熊继光，刘娜，刘家梁，王百月，冯笑丹，梁思超，王森，张杰，
申请(专利权)人：华能新能源股份有限公司，中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11