一种太阳能电池及其制备方法和改善锡基钙钛矿层吸光特性及传输特性的方法技术

本发明专利技术公开了一种太阳能电池及其制备方法和改善锡基钙钛矿层吸光特性及传输特性的方法，将低对称性的小分子受体溶于DMF/DMSO溶液中，再加入到基于同比溶剂的锡基钙钛矿前驱液中充分共混，退火并清洗得到体异质结结构的锡基钙钛矿层薄膜，并基于此制备了太阳能电池。本发明专利技术利用小分子受体的低对称性来增加其再有机溶剂中的溶解性，同时小分子受体具有合适的能级以及长波方向的吸光能力，明显改善了其吸光特性及传输特性，解决了传统锡基钙钛矿太阳能电池近红外区域光响应不足以及开路电压低的问题；经实际验证，本发明专利技术制备的太阳能电池器件转化效率相比现有技术提高20％以上，能够充分满足器件商业化使用的需要。能够充分满足器件商业化使用的需要。能够充分满足器件商业化使用的需要。

【技术实现步骤摘要】
一种太阳能电池及其制备方法和改善锡基钙钛矿层吸光特性及传输特性的方法


[0001]本专利技术属于有机/无机复合太阳能电池
，具体涉及一种太阳能电池及其制备方法和改善锡基钙钛矿层吸光特性及传输特性的方法。

技术介绍

[0002]目前，随着世界能源需求迅速增长，日益严重的供需和环境问题已成为制约社会经济发展的瓶颈，特别是近年来碳排放加剧导致全球各地出现极端天气，因此建立清洁、充足、经济、安全和可持续发展的能源体系迫在眉睫。在全球性化石能源日益枯竭、环境污染不断加重的今天，太阳能因其取之不尽、清洁、无任何污染等优点逐步走入公众视野，成为最具开发潜力的新能源之一。而在太阳能的众多应用中，太阳能电池将太阳能直接转化为电能，是有效利用太阳能的最佳途径之一。
[0003]金属卤化物钙钛矿太阳能电池因其成本低、制备工艺简单、光伏性能优越而受到广泛关注。目前为止，经过认证光电转换效率的已达到25.2％，与商用硅太阳能电池相当。典型的高性能钙钛矿太阳能电池使用铅基钙钛矿作为光吸收层，但由于铅元素具有很强的毒性，其形成的器件可能对人类健康和生态环境产生严重的危害。此外，铅基钙钛矿的光学带隙仍然不在最佳的Shockley
‑
Queisser极限带宽1.34eV附近。为了解决上述问题，科学家尝试采用多种金属离子来替代铅，但经过试验只有同族的锗和锡具备替代铅的性能，其中锡的特性与铅最为接近，既有相似的离子半径和电子组态，还可能获得更优越的半导体特性。更重要的是，锡是一种低毒元素，二价锡离子暴露在空气中会降解为生态友好的二氧化锡，对环境几乎无危害。
[0004]虽然锡基钙钛矿具有和铅基钙钛矿相似的电子结构和相媲美的半导体性质，包括高吸光系数、高载流子迁移率和理想的带隙，是环境友好型钙钛矿太阳能电池的理想材料。但是相比于铅基钙钛矿太阳能电池，锡基钙钛矿太阳能电池的开路电压较低，导致由其制备的太阳能电池近红外区域光响应不足。限制锡基钙钛矿性能提升的主要原因之一是锡基钙钛矿较浅的能级与传统的富勒烯电子传输层能级不匹配；另一个重要原因是当前主流的金属卤化物钙钛矿材料只能吸收一小部分紫外线(UV)和可见光(400～800nm)，只有占整个太阳光谱的45～50％，从而限制了有效的光吸收和光电转换效率。因此，设计新的电子传输层材料是解决目前锡基钙钛矿太阳能电池能级失配问题，并将光电响应扩展到近红外区域已成为锡基钙钛矿太阳能电池研究的迫切课题。
[0005]有鉴于此，本专利技术人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种太阳能电池及其制备方法和改善锡基钙钛矿层吸光特性及传输特性的方法，以克服现有技术的缺陷。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述锡基钙钛矿面临的两个技术问题，提供一种太阳能电池及其制备方法和改善锡基钙钛矿层吸光特性及传输特性的方法，本专利技术利用具备吸光能
力、且能级合适的小分子受体制备的锡基钙钛矿层薄膜，明显提高钙钛矿吸光层对长波方向的光响应，促进电子迁移，抑制载流子的非辐射复合，改善了传统锡基钙钛矿太阳能电池开路电压低的问题；另外基于上述锡基钙钛矿层制备的太阳能电池，明显改善了传统锡基钙钛矿太阳能电池近红外区域光响应不足的问题。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案来解决的：
[0008]一种改善锡基钙钛矿层吸光特性及传输特性的方法，将小分子受体溶于DMF/DMSO溶液中，再加入到基于同比溶剂的锡基钙钛矿前驱体液中共混，退火并清洗得到体异质结结构的锡基钙钛矿薄膜；
[0009]所述小分子受体的分子结构如下：
[0010][0011]其中，R是由正己基，羟基，磺酸基中的单个或多个基团以任意方式组合。
[0012]进一步地，所述锡基钙钛矿薄膜为ABX3结构，A为甲胺CH3NH2或甲脒HC(NH2)2；B为阳离子Sn
2+
；X为阴离子Cl
‑
，Br
‑
和I
‑
中的一种或者几种阴离子的任意组合。
[0013]进一步地，所述锡基钙钛矿前驱体包括锡卤化物和有机/无机盐，所述锡卤化物为BX2；所述有机/无机盐为AX。
[0014]进一步地，所述DMF/DMSO溶液的浓度为5～50mg/ml；退火温度为80～100℃。
[0015]一种太阳能电池，包括依次叠加的基片、阳极层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、空穴阻挡层和阴极，所述钙钛矿吸光层采用上述方法制备的锡基钙钛矿薄膜。
[0016]进一步地，所述钙钛矿吸光层的厚度为200～400nm。
[0017]进一步地，所述阳极层的方块电阻为10～20Ω，厚度为100～120nm；所述空穴传输层的厚度为30nm；所述电子传输层的厚度为40nm；所述空穴阻挡层层的厚度为5nm；所述阴极的厚度为100～150nm。
[0018]进一步地，所述基片采用柔性基片；其中，所述柔性基片为聚酯或聚酞亚胺类化合物；
[0019]所述阳极层采用无机材料或机导电聚合物制作；其中，当所述阳极层采用无机材料时，所述无机材料为氧化铟锡、氧化锌或氧化锡中的一种金属氧化物或为金、铜、银或锌中的一种金属；当所述阳极层采用有机导电聚合物时，所述有机导电聚合物为聚噻吩、聚乙烯基本苯磺酸钠或聚苯胺；
[0020]所述空穴传输层采用聚(3,4
‑
亚乙二氧基噻吩)
‑
聚(苯乙烯磺酸)或氧化镍或硫氰酸铜制作；
[0021]所述电子传输层采用富勒烯(C60)或富勒烯衍生物(C60PCBM,C70PCBM,ICBA)制作；
[0022]所述阴极采用金属或氟化物与金属复合电极制作；其中，所述金属为金、银或铝；复合电极是氟化锂与金属银、金或铜复合形成。
[0023]一种制备上述太阳能电池的方法，包括以下步骤：
[0024]步骤一、利用乙醇、丙酮超声和去离子水超声对透明导电基片进行清洗，清洗后将其放置在红外灯下烘干，基片上面的ITO膜作为器件的阳极层，基片选用柔性基片，柔性基片为聚酯或聚酞亚胺类化合物；阳极层采用无机材料或有机导电聚合物，无机材料选用氧化铟锡或氧化锡氟，有机导电聚合物为聚噻吩、聚乙烯基苯磺酸钠或聚苯胺；
[0025]步骤二、使用氧等离子对步骤S1干燥处理好的基片进行处理，然后在基片上旋涂空穴传输层，选择聚(3,4
‑
乙烯二氧噻吩)
‑
聚苯乙烯磺酸，PEDOT:PSS溶液的质量分数为10％，使用匀胶机旋涂溶液，经干燥处理后得到空穴传输层；
[0026]步骤三、采用一步旋涂反溶剂法在步骤二制备的空穴传输层上制备锡基钙钛矿吸光层，卤化物为碘碘化锡；配体为碘化甲胺或碘化甲脒；
[0027]步骤四、将步骤三制备好的锡基钙钛矿吸光层通过真空蒸镀制备电子传输层，电子传输层的材料为富勒烯及衍生物；
[0028]步骤五、在步骤四制备好的电子传输层上进行真空蒸镀空穴阻挡层层，空穴阻挡层材料为邻二氮菲、邻菲咯啉类化合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改善锡基钙钛矿层吸光特性及传输特性的方法，其特征在于，将小分子受体溶于DMF/DMSO溶液中，再加入到基于同比溶剂的锡基钙钛矿前驱体溶液中共混，退火并清洗得到体异质结结构的锡基钙钛矿薄膜；所述小分子受体的分子结构如下：其中，R是由正己基，羟基，磺酸基中的单个或多个基团以任意方式组合。2.根据权利要求1所述的一种改善锡基钙钛矿层吸光特性及传输特性的方法，其特征在于，所述锡基钙钛矿薄膜为ABX3结构，A为甲胺CH3NH2或甲脒HC(NH2)2；B为阳离子Sn
2+
；X为阴离子Cl
‑
，Br
‑
和I
‑
中的一种或者几种阴离子的任意组合。3.根据权利要求2所述的一种改善锡基钙钛矿层吸光特性及传输特性的方法，其特征在于，所述锡基钙钛矿前驱体包括锡卤化物和有机/无机盐，所述锡卤化物为BX2；所述有机/无机盐为AX。4.根据权利要求1所述的一种改善锡基钙钛矿层吸光特性及传输特性的方法，其特征在于，所述DMF/DMSO溶液的浓度为5～50mg/ml；退火温度为80～100℃。5.一种太阳能电池，其特征在于，包括从下到上依次叠加的基片(1)、阳极层(2)、空穴传输层(3)、钙钛矿吸光层(4)、电子传输层(5)、空穴阻挡层(6)和阴极(7)，所述钙钛矿吸光层(4)采用权利要1～4任一所述方法制备的锡基钙钛矿薄膜。6.根据权利要求5所述的一种太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层(4)的厚度为200～400nm。7.根据权利要求5所述的一种太阳能电池，其特征在于，所述阳极层(2)的方块电阻为10～20Ω，厚度为100～120nm；所述空穴传输层(3)的厚度为30nm；所述电子传输层(5)的厚度为40nm；所述空穴阻挡层层(6)的厚度为5nm；所述阴极(7)的厚度为100～150nm。8.根据权利要求5所述的一种太阳能电池，其特征在于，所述基片(1)采用柔性基片；其中，所述柔性基片为聚酯或聚酞亚胺类化合物；所述阳极层(2)采...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴朝新，董化，李淏淼，樊钦华，
申请(专利权)人：宁波激智创新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：