钙钛矿太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。

背景技术

有机无机杂化钙钛矿材料由于具有低的激子束缚能，合适的禁带宽度，长的载流子扩散长度，高的光吸收系数和溶液加工性能，近几年来，越来越收到人们的关注。2009年以来，钙钛矿太阳能电池的效率从3.81％上升到24.2％，其效率几乎可以和商业化的单晶硅太阳能电池相媲美。人们普遍认为钙钛矿太阳能电池最有希望成为下一代商业化太阳能电池，但是在商业化之前，还有一些问题亟待解决，特别是钙钛矿太阳电池的稳定性。钙钛矿型太阳能电池是一种很有前景的光伏器件，其光电转换效率已经超过24％，但热不稳定性是阻碍其商业化的关键因素之一，此外还有光电转换效率。

如公开号为CN108649124A的中国专利申请公开了一种高效率无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法，太阳能电池是由底电极、电子传输层、无机钙钛矿材料吸收层、空穴传输层以及顶电极五部分组成，其中电子传输层和无机钙钛矿材料吸收层、无机钙钛矿材料吸收层和空穴传输层构建出两个平面异质结，电子传输层、无机钙钛矿材料吸收层和空穴传输层都是通过溶液法成膜。其没有对电子传输层和钙钛矿层的界面进行优化，得到的钙钛矿太阳电池的效果并不是非常高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钙钛矿太阳能电池，在电子传输层和钙钛矿吸光层之间形成一层氧化镍进行界面修饰，大大提升了钙钛矿太阳电池的效率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池包括自下而上依次层叠设置的导电基底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和上电极层，所述电子传输层和钙钛矿吸光层之间设有修饰层，所述修饰层为氧化镍，所述氧化镍通过水溶液法形成在所述电子传输层上。

进一步地，所述修饰层的厚度为2.5-10nm。

进一步地，所述电子传输层选自PCBM、OQMF、OQBMF、PFN、PEIE、ZnO、TiO

进一步地，所述电子传输层为钨掺杂的TiO

进一步地，所述钙钛矿吸光层为Cs

进一步地，所述空穴传输层选自Spiro-MeOTAD、PEDOT:PSS、P3HT、PTAA、PThTPTI、金属氧化物或氧化石墨烯中的至少一种。

本申请还提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述制备方法用以制备所述的钙钛矿太阳能电池，所述制备方法包括：

S1、提供导电基底，对所述导电基底进行预处理；

S2、采用低温溶液法在所述导电基底上制备电子传输层；

S3、采用低温溶液法在所述电子传输层上形成氧化镍薄膜，得到修饰层；

S4、在所述修饰层上依次制备钙钛矿吸光层、空穴传输层和上电极层，得到钙钛矿太阳能电池。

进一步地，步骤S2中，所述电子传输层为钨掺杂的TiO

将所述导电基底放入配置好的钨掺杂的TiO

进一步地，步骤S3中，形成所述修饰层的具体步骤如下：

制备修饰层前驱体溶液，将修饰层前驱体溶液均匀滴加到所述电子传输层上，旋涂后，退火处理，得到所述修饰层。

进一步地，步骤S4中，制备所述钙钛矿吸光层的具体步骤如下：

S41、向质量比为PbBr

S42、将CsI加入到DMSO溶液中，搅拌得到第二溶液；

S43、将所述第二溶液加入到第一溶液中，搅拌得到钙钛矿前驱体溶液，将过滤后的钙钛矿前驱体溶液均匀滴加到所述修饰层上，通过连续的两步法旋涂后，退火处理，得到所述钙钛矿吸光层。

本发明的有益效果在于：本发明的钙钛矿太阳能电池在电子传输层和钙钛矿吸光层之间形成一层氧化镍进行界面修饰优化，有效增大电子萃取率且极大的缓解了钙钛矿太阳能电池的回滞效应，提升了钙钛矿太阳电池的效率，且使用低温溶液法制备不仅降低了制备成本，而且实现了其在柔性电池上的应用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明所示的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；

图2为无修饰层的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度曲线图；

图3为本发明所示的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

需要说明的是：本发明的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等用语只是参考附图对本发明进行说明，不作为限定用语。

请参见图1，本发明一实施例所示的钙钛矿太阳能电池，其包括自下而上依次层叠设置的导电基底10、电子传输层20、钙钛矿吸光层30、空穴传输层40和上电极层50，电子传输层20和钙钛矿吸光层30之间设有修饰层21，修饰层21为氧化镍，氧化镍通过水溶液法形成在电子传输层20上。

在本实施例中，导电基底10为FTO导电玻璃，诚然，在其他实施例中，导电基底10还可以是其他常规结构和材料。

钙钛矿吸光层30为Cs

空穴传输层40为Spiro-OMeTAD材料，上电极层50为金属电极，优选电极材料为Au；诚然，在其他实施例中，空穴传输层404还可以选自PEDOT:PSS、P3HT、PTAA、PThTPTI、金属氧化物或氧化石墨烯中的至少一种，在此不再一一列举；制备该上电极层50的材料还可以是其他常规材料。

电子传输层20的厚度为70nm，空穴传输层40厚度为250nm，钙钛矿吸光层30的厚度为350nm，上电极层50厚度为70nm。在此不对各层的厚度做限定，还可以为其他数值的厚度，可根据实际需要进行设置即可。

其中，在本实施例中，修饰层21厚度为2.5-10nm，优选厚度为5nm，且氧化镍的浓度为5mg/mL，氧化镍为P型纳米晶体，由氧化镍形成的修饰层21像岛屿一样附着在电子传输层20上，从而提高电子萃取能力且也在一定程度上有利于增大钙钛矿层的晶粒大小，有利于提升界面的电子传导，大幅度降低回滞。

无修饰层的钙钛矿太阳能电池的具体性能如表1所示，而具有修饰层21的钙钛矿太阳能电池的具体性能如表2所示，并结合图2和图3，经过氧化镍的修饰，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从14.71％升高到了18.45％，提升了钙钛矿太阳电池的效率。

表1、无修饰层的钙钛矿太阳能电池的性能

表2、具有氧化镍修饰层的钙钛矿太阳能电池的性能

本申请还提供一种用以上述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，制备方法包括：

S1、提供导电基底，对导电基底进行预处理；

S2、采用低温溶液法在导电基底上制备电子传输层；

S3、采用低温溶液法在电子传输层上形成氧化镍薄膜，得到修饰层；

S4、在修饰层上依次制备钙钛矿吸光层、空穴传输层和上电极层，得到钙钛矿太阳能电池。

其中，步骤S2中，电子传输层为钨掺杂的TiO

将导电基底放入配置好的钨掺杂的TiO

步骤S3中，形成修饰层的具体步骤如下：

制备修饰层前驱体溶液，将修饰层前驱体溶液均匀滴加到电子传输层上，旋涂后，退火处理，得到修饰层。

步骤S4中，制备钙钛矿吸光层的具体步骤如下：

S41、向质量比为PbBr

S42、将CsI加入到DMSO溶液中，搅拌得到第二溶液；

S43、将第二溶液加入到第一溶液中，搅拌得到钙钛矿前驱体溶液，将过滤后的钙钛矿前驱体溶液均匀滴加到修饰层上，通过连续的两步法旋涂后，退火处理，得到钙钛矿吸光层。

利用水溶液法制备钙钛矿太阳能电池，该方法具有环保，低温，设备和和原料投资较少，可大面积制备的特点，实现大规模工业应用，制备中较低的温度使得制备简单高效，制备成本较低。

关于钙钛矿太阳能电池的制备方法，下面以具体实施例进行详细说明：

实施例一

步骤一、清洗导电基底

提供FTO作为导电基底，对FTO进行清洗，首先用去离子水超声10min，之后分别在丙酮和无水乙醇中超声10min以除去其表面的杂质及附着有机物，最后再去离子水超声10min，而后用洁净氮气吹干表面，并在120℃保温10min后，UV照射10min，有利于后续电子传输层的成膜性。

步骤二、制备电子传输层

将FTO放入配置好的钨掺杂的TiO

步骤三、制备修饰层

纳米晶体的氧化镍加入二甲基甲酰胺中制备得到5mg/mL的氧化镍前驱体溶液，将氧化镍前驱体溶液均匀滴加到电子传输层上，然后通过两步旋涂法旋涂，以4000rpm的速度在空气中旋涂5s；然后，以700rpm的速度在空气中旋涂5s，在150℃的温度下退火10min，得到氧化镍修饰层。

步骤四、制备钙钛矿吸光层

分别用1.25mol/L的MAI和PbI

步骤五、制备空穴传输层

将制备好的Spiro-OMeTAD溶液滴加在钙钛矿吸光层上，以3000rpm的速度在空气中旋涂30s；旋涂完毕后，置于250℃的加热板上退火1h，Spiro-OMeTAD溶液凝固成膜，制得空穴传输层。

步骤六、制备上电极层

将颗粒状金属材料Au放置于热蒸发镀膜机的坩埚中，关闭腔体进行真空热蒸发镀膜操作，将金属材料Au镀制在空穴传输层上，形成上电极层。

实施例二

步骤一、清洗导电基底(≤15欧姆)

提供FTO作为导电基底，用沾了肥皂水的棉签擦洗去除FTO表面的污垢，注意擦洗的力度不宜过大防止擦破氟掺杂氧化锡薄膜，擦洗过后把FTO放在清洗支架(聚四氟乙烯)上，接着连同支架一并放入玻璃容器中，容器中依次加入去离子水和丙酮、无水乙醇以及异丙醇分别进行超声清洗15min，注意加入溶液的量要浸没FTO的高度，清洗完成后放在空气中晾干，最后为了去除表面的有机残留物，FTO在使用之前放在紫外臭氧机中处理15min。

步骤二、制备电子传输层

在20mL去离子冰水混合物中滴加440μl TiCl

步骤三、制备修饰层

纳米晶体的氧化镍加入二甲基甲酰胺中制备得到5mg/mL的氧化镍前驱体溶液，将氧化镍前驱体溶液均匀滴加到电子传输层上，然后通过两步旋涂法旋涂，以4000rpm的速度在空气中旋涂5s；然后，以700rpm的速度在空气中旋涂5s，在150℃的温度下退火10min，得到氧化镍修饰层。

步骤四、制备钙钛矿吸光层

首先依次称量146.8mg的PbBr

步骤五、制备空穴传输层

首先称量144.6mg的Spiro-OMeTAD加入2mL的氯苯溶液中，搅拌1h得到1号溶液；然后称量520mg的锂盐(LiTFSI)加入到1mL的乙腈溶液中，搅拌均匀得到2号溶液；然后量取2号溶液35μL加入到1号溶液中并搅拌均匀得到3号溶液；接着量取57.6μL的TBP溶液加入到3号溶液中，搅拌30min即得到Spiro-OMeTAD溶液，用移液枪量取100μL过滤后的Spiro-OMeTAD溶液均匀滴加到钙钛矿吸光层上面，在2000rpm下(加速度600rpm/s)旋转30s；旋涂完毕后，置于250℃的加热板上退火1h，Spiro-OMeTAD溶液凝固成膜，制得空穴传输层。

步骤六、制备上电极层

使用Trovato 300C真空热蒸镀系统制备Au薄膜电极，制备的真空值小于10-7Torr，电池的有效面积为0.04cm

综上，本发明的钙钛矿太阳能电池在电子传输层和钙钛矿吸光层之间形成一层氧化镍进行界面修饰优化，有效增大电子萃取率且极大的缓解了钙钛矿太阳能电池的回滞效应，提升了钙钛矿太阳电池的效率，且使用低温溶液法制备不仅降低了制备成本，而且实现了其在柔性电池上的应用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。