一种基于两步法制备掺入磺酸化合物修饰的三维杂化钙钛矿太阳能电池制造技术

本发明专利技术为一种基于两步法制备掺入磺酸化合物修饰的三维杂化钙钛矿太阳能电池。该太阳能电池从下至上由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属顶电极组成；所述的吸光层为磺酸化合物掺杂的钙钛矿吸光层，钙钛矿吸光层结构式为FA

【技术实现步骤摘要】
一种基于两步法制备掺入磺酸化合物修饰的三维杂化钙钛矿太阳能电池


[0001]本专利技术属于新型光伏电池领域，具体涉及一种基于两步法制备掺入磺酸化合物修饰的三维杂化钙钛矿太阳能电池。

技术介绍

[0002]随着化石能源短缺以及其燃烧所带来的环境问题日益严重，能源转型成为当前能源领域的研究热点。能源转型就需要寻找清洁可再生能源来代替化石能源，目前现有的清洁可再生能源中太阳能就是一种经济优质的能源。通过利用光生伏特效应，太阳能可以有效的转换为电能。近些年太阳能电池总共经历了三代的发展，其中以硅基太阳能电池为代表的第一代光伏电池存在发电成本高、能耗高、组件位置固定等缺点；以铜铟镓硒、碲化镉为代表的第二代薄膜太阳能电池存在毒性高且组分元素储量极少的缺点；由此孕育而生的第三代新型太阳能电池兼具制备工艺简单、成本低廉、可柔性制备等特点，其中包括量子点太阳能电池、染料敏化太阳能电池和新型钙钛矿太阳能电池(PSCs)等。
[0003]基于AM(II)X3晶体结构的钙钛矿材料拥有许多独特的光电性能，如低成本、可溶液加工、可调带隙、低激子结合能、高吸光系数以及长载流子扩散长度和寿命等。得益于上述优秀的光电性能，PSCs的实验室认证效率已经达到目前的25.7％。但是，单结PSCs目前所达到最高效率值仍远低于理论计算极限效率，而且PSCs在多种环境条件下服役的稳定性仍达不到商业化使用标准。PSCs的光电转换效率和稳定性与器件内部和界面处载流子的非辐射复合(NRR)过程息息相关，减少NRR损失可有效提升效率和稳定性。深入研究表明，PSCs中多种类型的缺陷是导致NRR的重要源由。在半导体材料中，当电荷载流子浓度较高时，NRR通常通过深能级陷阱或俄歇复合发生。当缺陷为深能级缺陷时，它们只会捕获电子或空穴，这些电子或空穴在热激活的帮助下无法逃逸，并将通过NRR被带相反电荷的载流子湮灭，这将严重影响PSCs器件的光电性能。与此同时，水分和氧会通过这些缺陷所提供得通道渗透进钙钛矿内部，使得钙钛矿分解并大大降低了稳定性。目前常用添加剂工程对钙钛矿表界面进行一定修饰，钝化其中的缺陷。常见的钝化工作多为对钙钛矿表面进行钝化，例如专利CN110676390使用巯基吡啶类化合物对钙钛矿薄膜表面进行修饰，增强钙钛矿的水稳定性和空气中的稳定性。这样的处理已经是在钙钛矿结晶后进行的处理，并不能系统的完全的对钙钛矿整体的晶体质量进行改善。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的主要针对由于碘化铅形貌及微观原因导致两步法所制备钙钛矿反应不充分残留大量碘化铅且内部产生大量缺陷导致的稳定性及性能不足，提供一种基于两步法制备掺入磺酸化合物修饰的三维杂化钙钛矿太阳能电池。该电池通过磺酸化合物对碘化铅进行预处理，磺酸化合物中的磺酸根离子可以和Pb
2+
配位，充分延缓结晶得到了理想的碘化铅籽晶薄膜，随后旋涂有机铵盐溶液，得到了低缺陷态密度优质的钙钛矿薄膜，从而实
现钝化钙钛矿缺陷、减少NRR并提高钙钛矿薄膜质量，从而达到改善钙钛矿太阳能电池光电性能的目的。本专利技术有效地钝化了钙钛矿内部缺陷、减少了NRR以及提高了PSCs的光电转换效率，基于该方法的钙钛矿太阳能电池表现出良好的稳定性。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]一种基于两步法制备掺入磺酸化合物修饰的三维杂化钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池从下至上由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属顶电极组成；
[0007]所述的透明导电玻璃为钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡或氧化氟锡加工制作成的，方阻为1
‑
30Ω，透过率在75
‑
99％；
[0008]所述的电子传输层的材料为SnO2，TiO2，PCBM，C
60
,C
61
，氧化镉，ZnO，奈二酰亚胺，苝二酰亚胺中的一种或多种；厚度为20
‑
300nm；
[0009]所述的吸光层为磺酸化合物掺杂的钙钛矿吸光层，钙钛矿吸光层结构式为FA
x
MA1‑
x
Pb(I
x
Br1‑
x
)3其中x＝0.95
‑
1，厚度为500
‑
800nm；；
[0010]所述的磺酸化合物选自甲基磺酸、氨基磺酸、2
‑
氨基乙磺酸、3
‑
氨基苯磺酸、3
‑
氨基丙磺酸，十二烷基苯磺酸钠、4
‑
吗啉乙磺酸钠、氨基苯磺酸、甲基磺酸钾、甲磺酸酐、3
‑
氨基
‑4‑
羟基苯磺酸、羟胺磺酸、邻氨基苯磺酸和氨基磺酸钠中的一种或多种。
[0011]所述的空穴传输层的材料为Spiro
‑
OMeTAD，P3HT，PTAA,NiOx，PEDOT：PSS，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，空穴传输层的厚度为50
‑
200nm；
[0012]所述的金属电极为金和银中的一种或两种，厚度为40
‑
200nm。
[0013]所述的基于两步法制备掺入磺酸化合物修饰的三维杂化钙钛矿太阳能电池及其制备方法，主要包括以下步骤：
[0014](1)预处理透明导电玻璃衬底：
[0015]将透明导电玻璃衬底清洗、烘干后，在紫外
‑
臭氧机中处理5
‑
40分钟，备用；
[0016](2)电子传输层的制备：
[0017]通过匀胶机，将配制好的电子传输材料溶液涂覆在衬底上，旋涂，先设置旋转速度500
‑
800rpm，旋涂2
‑
5s，再设置旋转速度3000
‑
5000rpm，旋涂20
‑
40s，然后再加热台上130～180℃退火处理20
‑
40min，得到电子传输层；
[0018]电子传输材料溶液的溶剂为去离子水、氯苯、DMF、DMSO、NMP、乙腈、甲苯、戊烷、己烷、甲醇、乙醇、异丙醇、乙醚、醋酸乙酯、丙酮中的一种或多种，浓度范围为质量分数1％
‑
15％；
[0019](3)两步溶液旋涂法制备磺酸化合物掺杂的钙钛矿吸光层：
[0020]30
‑
45℃下，将含磺酸化合物的PbI2混合溶液覆于电子传输层上，通过匀胶机旋涂，旋转速度1200
‑
2000rpm，旋涂1
‑
5s，然后旋转速度1800
‑
2400rpm，旋涂15
‑
25s，然后置于加热台上50
‑
100℃退火1
‑
3min；待冷却至室温后再动态旋涂有机铵盐前驱体溶液，旋转速度1700
‑
2000rpm，旋涂20
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于两步法制备掺入磺酸化合物修饰的三维杂化钙钛矿太阳能电池，其特征为该太阳能电池从下至上由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属顶电极组成；所述的吸光层为磺酸化合物掺杂的钙钛矿吸光层，钙钛矿吸光层结构式为FA
x
MA1‑
x
Pb(I
x
Br1‑
x
)3其中x＝0.95
‑
1，厚度为500
‑
800nm。2.如权利要求1所述的基于两步法制备掺入磺酸化合物修饰的三维杂化钙钛矿太阳能电池，其特征为所述的磺酸化合物选自甲基磺酸、氨基磺酸、2
‑
氨基乙磺酸、3
‑
氨基苯磺酸、3
‑
氨基丙磺酸，十二烷基苯磺酸钠、4
‑
吗啉乙磺酸钠、氨基苯磺酸、甲基磺酸钾、甲磺酸酐、3
‑
氨基
‑4‑
羟基苯磺酸、羟胺磺酸、邻氨基苯磺酸和氨基磺酸钠中的一种或多种。3.如权利要求1所述的基于两步法制备掺入磺酸化合物修饰的三维杂化钙钛矿太阳能电池，其特征为所述的透明导电玻璃为钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡或氧化氟锡加工制作成的，方阻为1
‑
30Ω，透过率在75
‑
99％；所述的电子传输层的材料为SnO2，TiO2，PCBM，C
60
,C
61
，氧化镉，ZnO，奈二酰亚胺，苝二酰亚胺中的一种或多种；厚度为20
‑
300nm；所述的空穴传输层的材料为Spiro
‑
OMeTAD，P3HT，PTAA,NiOx，PEDOT：PSS，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，空穴传输层的厚度为50
‑
200nm；所述的金属电极为金和银中的一种或两种，厚度为40
‑
200nm。4.如权利要求1所述的基于两步法制备掺入磺酸化合物修饰的三维杂化钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征为包括以下步骤：(1)预处理透明导电玻璃衬底：将透明导电玻璃衬底清洗、烘干后，在紫外
‑
臭氧机中处理5
‑
40分钟，备用；(2)电子传输层的制备：通过匀胶机，将配制好的电子传输材料溶液涂覆在衬底上，旋涂，先设置旋转速度500
‑
800rpm，旋涂2
‑
5s，再设置旋转速度3000
‑
5000rpm，旋涂20
‑
40s，然后再加热台上130～180℃退火处理20
‑
40min，得到电子传输层；电子传输材料溶液的溶剂为去离子水、氯苯、DMF、DMSO、NMP、乙腈、甲苯、戊烷、己烷、甲醇、乙醇、异丙醇、乙醚、醋酸乙酯、丙酮、四氯化碳中的一种或多种，浓度范围为质量分数1％
‑
15％；(3)两步溶液旋涂法制备磺酸化合物掺杂的钙钛矿吸光层：30
‑
45℃下，将含磺酸化合物的PbI2混合溶液覆于电子传输层上，通过匀胶机旋涂，旋转速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈聪，王成麟，张左林，李梦佳，高德钰，赵雪帆，朱云飞，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：