一种基于双层金属电极的锡铅混合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了一种替代金/银的双层金属作为电极并应用到低带隙锡铅混合钙钛矿太阳能电池的制备方法。该钙钛矿太阳能电池器件主要由透明导电玻璃、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、第一金属电极层和第二金属电极层组成。该钙钛矿组分主要为甲脒基有机分子和半锡半铅比例的无机分子以及碘离子组成，第一金属电极层为具有还原性的金属锡，第二金属电极层为非贵金属。制备方法包括：在干净ITO玻璃衬底上旋涂空穴传输层；然后旋涂锡铅混合钙钛矿薄膜；接着旋涂电子传输层；最后蒸镀第一、二金属电极层。本发明专利技术制备的电池器件具有更高的光电转化效率和更为优异的稳定性尤其空气保存的稳定性，为钙钛矿太阳能电池的实际应用奠定了良好基础。良好基础。良好基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层金属电极的锡铅混合钙钛矿太阳能电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种替代金/银的双层金属作为电极并应用到低带隙锡铅混合钙钛矿太阳能电池的制备方法，属于太阳能电池


技术介绍

[0002]随着社会的高速发展，对能源的需求也日益增多，新型可持续的清洁能源逐渐受到科学家们的广泛关注。有机无机钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其具有优异的光电性能被人们重点研究，其光电转化效率已达到惊人的25.7％。当前的最高效率仍为铅基钙钛矿保持，而为了减少铅金属带来的环境污染和人体健康问题，科学家们逐渐把目光转移至具有和铅相似性质的金属锡上，锡基钙钛矿太阳能电池也迎来飞速发展的时刻。近年来，Sn或Sn
‑
Pb基PSCs的研究也已取得重大进展，其中Sn
‑
Pb基混合PSCs的功率转换效率(PCE)已超过20％。但锡基钙钛矿仍面临Sn
2+
易氧化的问题，钙钛矿易分解从而导致器件效率不高同时稳定性较差。目前已采用多种方法减少其氧化，如引入抗氧剂、成分工程等措施提高其效率，但长期稳定性尤其空气稳定性仍具有严重挑战。
[0003]一方面当前具有较高PCE的窄带隙Sn
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Pb PSCs(>20％)主要是以FA
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MA混合A位阳离子为主，而当挥发性MA阳离子含量超过30％时会使钙钛矿结构不稳定从而器件稳定性较差。Yan等人在他们之前的研究中也已经证明，将MA比率降低到10％时可以显著提高Sn
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Pb PSCs的光稳定性。然而到目前为止FA基的Sn
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Pb混合PSCs的光伏性能仍落后于FA
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MA混合的相应器件。
[0004]另一方面，传统的钙钛矿太阳能电池普遍使用贵金属金/银或者碳浆料作为对电极。贵金属金/银价格昂贵，电池器件存在成本较高难以实现大规模应用的问题。同时钙钛矿易分解成的卤化物容易扩散通过电子传输层与电极发生氧化还原反应腐蚀电极，减少器件寿命使长期稳定性较差。而碳电极尽管已取得一定进展，但其电池效率仍远远落后于金属电极的器件。为了不牺牲效率，在减少器件成本的同时，减缓钙钛矿卤化物的分解速度提升操作稳定性。
[0005]目前，尚缺乏一种成本低廉、光电转化率高以及稳定性好的钙钛矿太阳能电池。

技术实现思路

[0006]针对上述技术问题，为了解决现有金/银贵金属应用到锡铅钙钛矿太阳能电池中作为电极面临的成本高及不稳定问题，锡基钙钛矿易氧化导致的长期稳定性问题，本专利技术的目的在于提供一种具有双层金属结构作为电极来取代金/银的方法，其中下层金属使用具有还原性的金属Sn来减少钙钛矿中二价锡易氧化导致的缺陷，上层金属使用导电性较好的非贵金属Cu增加电池的导电性并降低成本。本专利技术所制备的器件具有效率高、氮气储存稳定好且空气放置稳定性更为优异的特点。
[0007]本专利技术主要针对无MA离子的纯FA基的锡铅比例为1：1的钙钛矿太阳能电池，首次
使用金属锡和导电性较好的金属铜作为双层金属电极取代传统的金/银电极，大大降低了器件的整体成本同时能获得良好的光电转化效率。最值得注意的是，使用的金属锡具有一定的还原性，不仅能有效的阻挡卤化物离子的扩散来稳定电极，同时能作为抗氧剂减少钙钛矿中Sn
2+
的氧化稳定钙钛矿，金属锡还有望生成SnO2作为电子传输层，提高电子的萃取能力并阻止空穴的传输。所制备的器件最终不仅具有良好的光电性能同时具有优异的空气稳定性为钙钛矿太阳能电池的实际应用奠定基础。
[0008]本专利技术所提供的技术方案如下：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种基于双层金属电极的锡铅混合钙钛矿太阳能电池，其特征在于：包括透明导电衬底以及依次堆叠其上的空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、第一金属电极层和第二的电极层；所述第一金属电极层包括具有还原性的金属；所述第二金属电极层包括导电性良好的非贵金属。
[0010]进一步，所述透明导电衬底为ITO导电玻璃；所述的空穴传输层为无机金属氧化物NiO
x
；所述的锡铅混合钙钛矿吸光层为HC(NH2)2Pb
0.5
Sn
0.5
I3薄膜；所述的电子传输层为PCBM；所述第一金属电极层为具有还原性的锡类金属；所述第二金属电极层为价格低廉、稳定且导电性良好的铜类金属。
[0011]第二方面，本专利技术提供第一方面所述的锡铅混合钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)清洗透明导电衬底；
[0013](2)将NiOx水溶液旋涂于透明导电衬底上，在加热板上退火，即可得到NiOx空穴传输层；
[0014](3)在惰性气氛下，将锡铅混合钙钛矿前驱体溶液均匀地旋涂在空穴传输层上，通过退火处理后得到锡铅混合钙钛矿吸光层；
[0015](4)将PCBM溶于氯苯中配成溶液，均匀旋涂在钙钛矿吸光层上，形成电子传输层；
[0016](5)在电子传输层上首先蒸镀第一金属电极层；
[0017](6)在第一金属电极层上蒸镀第二金属电极层。
[0018]进一步，所述步骤(1)中，清洗透明衬底的方法如下：首先用去离子水、无水乙醇、异丙醇、丙酮、无水乙醇依次清洗，然后将其置于无水乙醇中静置保存，待使用时利用高纯氮气吹干，最后进行紫外臭氧处理，以保证其表面具有良好的浸润性。
[0019]进一步，所述步骤(2)中，NiO
x
水溶液的制备方法如下：利用氨水与六水合硝酸镍水溶液进行反应，搅拌反应后充分静置，取出上层清液，然后利用去离子水对下层粉末离心洗涤，随后将所得产物进行真空干燥，最后经退火得到NiO
x
粉末；将所得NiO
x
粉末溶于水中即得NiO
x
水溶液。优选的，退火温度为270℃，退火时间为2小时。
[0020]进一步，所述步骤(2)中，旋凃转速为4000rpm/s，旋涂时间为30～60s，在加热板上100～200℃范围内退火处理20～40min。
[0021]进一步，所述步骤(3)中，锡铅钙钛矿溶液的制备方法如下：将HC(NH2)2SnI3和HC(NH2)2PbI3前驱体溶液混匀后过滤；然后将锡铅混合钙钛矿前驱液均匀滴到空穴传输层上进行旋涂，在旋涂倒数快结束时均匀快速地滴加氯苯反溶剂，随后将钙钛矿中间相薄膜转移至加热台上加热后退火处理，即可得到锡铅混合钙钛矿吸光层。
[0022]更进一步，所述HC(NH2)2SnI3和HC(NH2)2PbI3的摩尔比为1:1。
[0023]更进一步，步骤(3)中，退火温度为120～140℃，退火时间为10～30min。
[0024]进一步，所述步骤(4)中，PCBM粉末与氯苯的用量比为20～40mg:1mL；旋凃转速为2000～3000rpm/s，旋凃时间为30s。
[0025]进一步，所述步骤(5)中，在真空条件下通过热蒸发法在电子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层金属电极的锡铅混合钙钛矿太阳能电池，其特征在于：包括透明导电衬底以及依次堆叠其上的空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、第一金属电极层和第二的电极层；所述第一金属电极层包括具有还原性的金属；所述第二金属电极层包括导电性良好的非贵金属。2.根据权利要求1所述的锡铅混合钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述透明导电衬底为ITO导电玻璃；所述的空穴传输层为无机金属氧化物NiO
x
；所述的锡铅混合钙钛矿吸光层为HC(NH2)2Pb
0.5
Sn
0.5
I3薄膜；所述的电子传输层为PCBM；所述第一金属电极层为具有还原性的锡类金属；所述第二金属电极层为铜类金属。3.如权利要求1或2所述的锡铅混合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)清洗透明导电衬底；(2)将NiOx水溶液旋涂于透明导电衬底上，在加热板上退火，即可得到NiOx空穴传输层；(3)在惰性气氛下，将锡铅混合钙钛矿前驱体溶液均匀地旋涂在空穴传输层上，通过退火处理后得到锡铅混合钙钛矿吸光层；(4)将PCBM溶于氯苯中配成溶液，均匀旋涂在钙钛矿吸光层上，形成电子传输层；(5)在电子传输层上首先蒸镀第一金属电极层；(6)在第一金属电极层上蒸镀第二金属电极层。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，清洗透明衬底的方法如下：首先用去离子水、无水乙醇、异丙醇、丙酮、无水乙醇依次清洗，然后将其置于无水乙醇中静置保存，待使用时利用高纯氮气吹干，最后进行紫外臭氧处理。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：台启东，周远，张辉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：