一种全空气大面积制备钙钛矿太阳能电池的方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种全空气大面积制备钙钛矿太阳能电池的方法。

背景技术

太阳能是可再生的清洁能源，开发高效和低成本的太阳能电池已经成为人们充分利用太阳能的有效手段。硅基太阳能电池由于成熟的制备工艺得到了广泛的市场应用，目前占据光伏市场的主导地位。但是由于硅基太阳能电池需要高能耗和高成本的制备工艺，开发高效和低成本的新型薄膜太阳能电池已经成为市场的迫切需求。

钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池技术，利用有机金属卤化物半导体作为吸光材料，由于其优异的载流子迁移率、高的吸收系数和低成本溶液加工等特点，引起了广泛的研究兴趣。钙钛矿太阳能电池从2009年3.8％的光电转换效率，到2020年已经超过25％的光电转换效率，已经接近传统晶体硅太阳能电池和碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池的效率，其优异的光电转换效率和低成本制备的优势，已经受到企业界的极大关注和积极参与，成为极具市场潜力的新型薄膜太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池制备中，关键的是钙钛矿活性层的快速结晶成膜，尤其是对于大面积器件的成膜。常用的钙钛矿薄膜溶液制备方法包括在空气或者氮气手套箱中的一步法和两步法制备，由于两步法制备钙钛矿薄膜工艺步骤多、反应不完全、重复性差等缺点，大面积制备钙钛矿薄膜大部分采用一步法。在空气或者氮气手套箱中一步法的优势是在涂布钙钛矿溶液后期，立即加入反溶剂，使钙钛矿溶液快速饱和，然后形成晶核并结晶成膜。在大面积钙钛矿太阳能电池模组制备中，通常采用印刷的方法，包括狭缝涂布、刮涂和喷涂等，不同的制备环境氛围(手套箱或空气)得到的钙钛矿薄膜的晶粒大小、成膜均匀性、致密性都有很大差异。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种全空气大面积制备钙钛矿太阳能电池的方法，能够提高钙钛矿薄膜大面积成膜的均一性和晶粒大小，实现低成本高效全印刷制备和获得高效、稳定的大面积钙钛矿太阳能电池。

本发明的第一方面，提供一种全空气大面积制备钙钛矿太阳能电池的方法，制备全过程在空气中进行，具体包括以下步骤：

(1)在导电基底上制备电子传输层；

(2)在所述电子传输层上滴加钙钛矿前驱体溶液，移动刮刀使得所述钙钛矿前驱体溶液在所述电子传输层上成膜，在空气中退火形成钙钛矿薄膜；

(3)在所述钙钛矿薄膜上制备碳电极，或者在所述钙钛矿薄膜上依次制备空穴传输层和碳电极。

根据本发明实施例的全空气大面积制备钙钛矿太阳能电池的方法，至少具有如下有益效果：

本发明实施例提供的制备钙钛矿太阳能电池的方法，全过程均采用在空气中制备，制备条件不苛刻，相较于氮气氛围制备的方式更适宜于大规模工业化生产。单独的刮涂法难于实现同时均匀滴加液体，滴加的第一滴和最后一滴存在时间差，很难确保均匀涂膜；而狭缝涂布的方法可以确保同时均匀涂膜，但是狭缝涂布的方法首先需要滴加满狭缝槽，再开始涂布，会耗费更多材料，清洗狭缝槽耗时耗力。本发明实施例制备钙钛矿薄膜时在刮涂方式上创新地结合了滴加方式，采用该创新刮涂式制备方式结合了刮涂和狭缝涂布的优势，简单可控，重复性能好，对大面积组件的批量制备稳定性高，适合在空气中大规模生产，此外该制备过程一步完成，单步并且无需加入反溶剂，能够快速结晶得到成膜均匀、晶粒尺寸大的钙钛矿薄膜，利于提高钙钛矿电池的性能。

根据本发明的一些实施例，步骤(1)和步骤(3)中所述制备的方式均为印刷。印刷方式可以例举的有狭缝涂布、刮涂和喷涂等。

根据本发明的一些实施例，步骤(3)为：在所述钙钛矿薄膜上依次制备空穴传输层和碳电极，所述空穴传输层的制备过程为：在所述钙钛矿薄膜上滴加空穴传输层的溶液，移动刮刀使得所述空穴传输层的溶液在所述钙钛矿薄膜上成膜。

根据本发明的一些实施例，步骤(2)中所述退火的温度为50～200℃。

根据本发明的一些实施例，步骤(3)中所述碳电极为低温碳电极。低温碳电极是指碳浆料印刷到器件上面后，采用低于150度的温度加热固化而成。其中低温碳浆料是以低温有机溶剂作为载体，如使用沸点低、易挥发的乙酸乙酯形成的碳浆料可在室温下印刷成膜。

根据本发明的一些实施例，所述导电基底包括基板和透明导电电极。

根据本发明的一些实施例，所述透明导电电极选自氧化铟锡(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、掺铝氧化锌(AZO)中的任一种。

根据本发明的一些实施例，所述基板为柔性基板或刚性基板；优选地，所述柔性基板的材料选自聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇脂、聚醚砜树脂中的任一种；优选地，所述刚性基板的材料为玻璃。

根据本发明的一些实施例，所述钙钛矿薄膜的面积≥10cm×10cm；优选地，所述钙钛矿薄膜的薄膜厚度为200nm～20000nm；优选地，所述钙钛矿薄膜的材料为ABX

根据本发明的一些实施例，步骤(3)中所述空穴传输层的材料选自PTAA、P3HT、CuSCN、Spiro-OMeTAD、磷中的一种或两种；优选地，所述空穴传输层的厚度为5nm～200nm。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为实施例1中制备得到的钙钛矿薄膜的SEM图；

图2为实施例1中制备得到的碳电极钙钛矿太阳能电池的实物图；

图3为实施例2制备得到的碳电极钙钛矿太阳能电池的照片。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种钙钛矿电阳能电池，制备全过程在空气中进行，按照以下步骤制备：

在面积10cm×10cm FTO玻璃基板上，喷雾热解制备40nm致密二氧化钛，刮涂厚度300nm的介孔层TiO

取石墨、炭黑、聚甲基丙烯酸甲酯、异丙醇混合形成碳浆料，在上述制备好的钙钛矿薄膜上面，刮涂低温碳浆料作为碳电极，制备形成碳电极钙钛矿太阳能电池，其实物图如图2所示。

实施例2

本实施例提供一种钙钛矿电阳能电池，制备全过程在空气中进行，按照以下步骤制备：

在面积10cm×10cm ITO柔性基板上，喷雾热解制备40nm致密二氧化钛，刮涂厚度300nm的介孔层TiO

取石墨、炭黑、聚甲基丙烯酸甲酯、异丙醇混合形成碳浆料，在上述制备好的钙钛矿薄膜上面，刮涂低温碳浆料作为碳电极，制备形成的碳电极钙钛矿太阳能电池如图3所示。

实施例3

本实施例提供一种钙钛矿电阳能电池，制备全过程在空气中进行，按照以下步骤制备：

在面积10cm×10cm FTO玻璃基板上，空气中刮涂厚度30nm的二氧化锡SnO

取石墨、炭黑、聚甲基丙烯酸甲酯、异丙醇混合形成碳浆料，在上述制备好的钙钛矿薄膜上面，刮涂低温碳浆料作为碳电极，制备形成碳电极钙钛矿太阳能电池。

实施例4

本实施例提供一种钙钛矿电阳能电池，制备全过程在空气中进行，按照以下步骤制备：

在面积10cm×10cm FTO玻璃基板上，空气中刮涂厚度30nm的二氧化锡SnO

取石墨、炭黑、聚甲基丙烯酸甲酯、异丙醇混合形成碳浆料，在上述制备好的P3HT空穴传输层的上面，刮涂低温碳浆料作为碳电极，制备形成碳电极钙钛矿太阳能电池。

实施例5

本实施例提供一种钙钛矿电阳能电池，制备全过程在空气中进行，按照以下步骤制备：

在面积10cm×10cm ITO柔性基板上，空气中刮涂厚度30nm的二氧化锡SnO

取石墨、炭黑、聚甲基丙烯酸甲酯、异丙醇混合形成碳浆料，在上述制备好的钙钛矿薄膜上面，刮涂低温碳浆料作为碳电极，制备形成碳电极钙钛矿太阳能电池。

需要说明的是，本发明的说明书中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，该实施例不作为对本发明内容的额外限制，提供该实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。对本领域普通技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。