一种钙钛矿太阳电池及其快速制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钙钛矿太阳电池及其快速制备方法，属于太阳能电池制备领域。本发明专利技术提供了一种无需单独制备空穴传输层的太阳电池加工工艺，通过在钙钛矿前驱体溶液中引入小分子材料，涂布成膜过程中不仅可以调控钙钛矿薄膜的生长，同时调节钙钛矿和透明导电电极的界面功函数，形成能带梯度，促进钙钛矿层到透明电极的电荷提取，减少电荷复合损失，从而获得一种结构简单且性能优异的钙钛矿太阳电池。最终，以混合阳离子钙钛矿为基础，使用添加小分子材料的钙钛矿溶液制备的无空穴传输层的反型太阳能电池器件，实现了24.3％的能量转换效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿太阳电池及其快速制备方法


[0001]本专利技术属于太阳能电池制备领域，具体涉及一种钙钛矿太阳电池及其快速制备方法。

技术介绍

[0002]开发利用清洁可再生的能源是人类社会发展的一大挑战及渴求。太阳能具有来源广泛、清洁安全等优点，因而备受人们的青睐。利用光生伏特效应，将光能直接转换为电能的太阳能电池为利用太阳能提供了一条有效的途径。用于转化太阳能的钙钛矿太阳能电池自2009年问世以来，取得了突飞猛进的进展。目前，钙钛矿太阳能电池(PVSCs)已经具有高达25％的能量转化效率和低成本的优势，有望跨过商业化门槛，进而分享乃至颠覆硅太阳能电池主导的光伏市场，更有效地降低环境污染和全球温室效应。
[0003]目前，不断推进PVSCs效率和稳定性同时进一步简化电池结构，降低成本是本领域的重要研究课题。稳定性更加优异的反型钙钛矿太阳能电池器件结构中的空穴传输层材料多采用传统的PTAA或者氧化镍，然而PTAA材料价格昂贵，且该材料的疏水特性使得钙钛矿溶液难以在其表面均匀的涂覆。而价格较为低廉的氧化镍作为空穴传输层制备的钙钛矿太阳能电池器件光电转换效率低，且氧化镍与钙钛矿存在界面降解反应，不利于器件长期稳定工作。因此，简化钙钛矿器件结构，开发高性能无空穴传输层的器件结构是解决以上科学问题的有效方法，它不仅简化了钙钛矿电池制备工艺，降低成本，同时也避免了钙钛矿与界面的降解反应，有利于器件长期稳定工作。
[0004]现有的技术中，尽管采用了强吸电子的分子掺杂剂(F4TCNQ)或其它p型半导体分子掺杂钙钛矿前驱体溶液制备的无空穴传输层的钙钛矿电池器件光电转换效率已实现22％的光电转换效率，可仍然落后于全结构的钙钛矿太阳能电池，主要原因在于钙钛矿与ITO或FTO电极界面功函失配，钙钛矿受光激发产生的空穴难以有效的被ITO或FTO电极提取，导致该界面存在严重的电荷复合问题。因此，选用合适的p型空穴传输层材料添加到钙钛矿前驱体溶液制备复合钙钛矿溶液，进而开发一种无空穴传输层钙钛矿太阳能电池器件的快速制备方法，对实现高效稳定低成本的钙钛矿太阳能电池来说十分重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在克服现有技术的不足，并提供一种钙钛矿太阳电池及其快速制备方法。运用本专利技术提出的制备方法，将小分子材料预先溶解在钙钛矿前驱体溶液中制备得到复合钙钛矿溶液。通过小分子结构中的特征官能团可分别与钙钛矿溶液中的铅和透明电极之间强的相互作用，在调控钙钛矿晶体生长的同时又能修饰钙钛矿和电极界面功函数，减少界面复合损失，获得性能优异、结构简单的钙钛矿太阳能电池。
[0006]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种钙钛矿太阳电池的快速制备方法，通过直接在透明电极层(2)上制备光活性层(3)，得到从下到上依次叠合有基底(1)、透明电极层(2)、光活性层
(3)、电子传输层(4)、功函调整层(5)和金属电极层(6)的钙钛矿太阳电池；所述光活性层(3)为复合钙钛矿薄膜，具体制备方法如下：
[0008]将钙钛矿溶解于第一溶剂中，得到钙钛矿前驱体溶液。将小分子材料溶解在上述钙钛矿前驱体溶液中，得到复合钙钛矿溶液。将上述复合钙钛矿溶液退火处理，得到复合钙钛矿薄膜。
[0009]作为优选，上述钙钛矿前驱体溶液中的钙钛矿为ABX3型钙钛矿，A位为铯离子、甲胺阳离子、甲脒阳离子中的一种或多种混合，B位为铅离子，X位为氯离子、溴离子、碘离子中的一种或多种混合。
[0010]作为优选，上述第一溶剂为二甲基二酰胺或二甲基亚砜溶剂中的一种或两者混合。
[0011]作为优选，上述小分子材料的分子骨架为咔唑结构类小分子或者三苯胺结构类小分子中的一种或多种。
[0012]进一步的，上述咔唑结构类小分子为磷酸咔唑2PACz、甲氧基磷酸咔唑MeO
‑
2PACz或甲基磷酸咔唑Me
‑
4PACz中的一种或多种。上述三苯胺结构类小分子为LS2、LS3、LS4、LS5、LS6或LS7中的一种或多种，具体结构如下：
[0013][0014]作为优选，上述复合钙钛矿溶液中添加的小分子材料的浓度为1～15mg/mL。
[0015]进一步的，上述复合钙钛矿溶液中添加的小分子材料浓度为3～5mg/mL。
[0016]作为优选，上述退火处理的温度为90～150℃。
[0017]进一步的，上述退火处理的温度为100～110℃。
[0018]作为优选，上述基底的材料为玻璃、石英、柔性PET或柔性PEN中的一种。上述透明电极层材料为氧化铟锡或氟掺氧化锡。上述电子传输层为PCBM、C
60
或ZnO中的一种。上述功函调整层为BCP。上述金属电极层材料为银、铝、镁、铜、金、氧化铟锡或氟掺氧化锡中的一种，厚度为50～300nm。
[0019]第二方面，本专利技术提供一种根据第一方面所述的快速制备方法得到的钙钛矿太阳电池。
[0020]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0021](1)本专利技术通过在钙钛矿前驱体溶液中添加小分子材料制备得到复合钙钛矿溶
液，利用小分子材料结构中的特征基团与钙钛矿前驱体溶液铅离子较强的相互作用去调控透明电极上钙钛矿薄膜的生长，同时达到修饰ITO或FTO电极，调节钙钛矿和电极界面功函的目的，进而在无空穴传输层的太阳电池器件结构中实现空穴从活性层到透明电极的高效输运；
[0022](2)本专利技术复合钙钛矿溶液中小分子材料的浓度在3～5mg/mL范围内制备太阳电池器件的平均效率高达23％以上，开路电压高达1.20V，是目前报道带隙～1.55eV钙钛矿太阳能电池最高电压之一，相比于以氧化镍或者PTAA作为空穴传输层结构的传统钙钛矿太阳电池参照器件，快速制备得到的无空穴传输层反型钙钛矿太阳电池器件的开路电压和填充因子均有明显地提高；
[0023](3)本专利技术选择甲氧基磷酸咔唑(MeO
‑
2PACz)作为小分子材料制备的复合钙钛矿溶液快速制备的无空穴传输层反型太阳电池器件效率可从9.20％提高至24.3％(V
OC
＝1.20V，J
SC
＝24.4mA/cm2，FF＝83.0)。
附图说明
[0024]图1为本专利技术提供的一种钙钛矿太阳电池器件的结构示意图；
[0025]图2是对比例1提供的以传统高温氧化镍为空穴传输层制备的钙钛矿太阳电池器件的电流
‑
电压曲线；
[0026]图3是对比例2提供的钙钛矿前驱体溶液无添加小分子制备的无空穴传输层钙钛矿太阳电池器件的电流
‑
电压曲线；
[0027]图4是实施例1提供的添加有MeO
‑
2PACz的复合钙钛矿溶液制备的无空穴传输层结构钙钛矿太阳电池器件的电流
‑
电压曲线；
[0028]图5是实施例2提供的添加有Me
‑
4PACz的复合钙钛矿溶液制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿太阳电池的快速制备方法，其特征在于，通过直接在透明电极层(2)上制备光活性层(3)，得到从下到上依次叠合有基底(1)、透明电极层(2)、光活性层(3)、电子传输层(4)、功函调整层(5)和金属电极层(6)的钙钛矿太阳电池；所述光活性层(3)为复合钙钛矿薄膜，具体制备方法如下：将钙钛矿溶解于第一溶剂中，得到钙钛矿前驱体溶液；将小分子材料溶解在所述钙钛矿前驱体溶液中，得到复合钙钛矿溶液；将所述复合钙钛矿溶液退火处理，得到复合钙钛矿薄膜。2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳电池的快速制备方法，其特征在于，所述钙钛矿前驱体溶液中的钙钛矿为ABX3型钙钛矿，A位为铯离子、甲胺阳离子、甲脒阳离子中的一种或多种混合，B位为铅离子，X位为氯离子、溴离子、碘离子中的一种或多种混合。3.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳电池的快速制备方法，其特征在于，所述的第一溶剂为二甲基二酰胺或二甲基亚砜溶剂中的一种或两者混合；所述小分子材料的分子骨架为咔唑结构类小分子或者三苯胺结构类小分子中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的一种钙钛矿太阳电池的快速制备方法，其特征在于，所述咔唑结构类小分子为磷酸咔唑2PACz、甲氧基磷酸咔唑MeO
‑
2PACz或甲基磷酸咔唑Me
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【专利技术属性】
技术研发人员：李昌治，黄燕春，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：