一种复合叠层钙钛矿太阳能电池及其制备方法与流程

文档序号:12275365阅读:827来源:国知局

本发明属于太阳能电池领域,具体涉及一种复合叠层结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。



背景技术:

随着化石能源日渐枯竭,能源危机日益加剧,清洁可再生能源的开发和利用成为21世纪全球关注的热点问题。其中光伏太阳能电池由于高效、清洁、无污染等优势,成为可再生能源的发展重点。光伏太阳能电池是利用半导体的光生伏特效应,将太阳辐射的光能转换为电能的装置。从结构和原材料的区分上,光伏太阳能电池经历了从晶硅电池到薄膜太阳能电池再到多结太阳能电池的发展历程。晶硅电池由于制备工艺成熟,转换效率稳定而成为主要的光伏太阳能电池。但由于受晶硅内部杂质缺陷的影响和较低的吸光系数,其光电转换效率最高只能达到25%左右;薄膜太阳能电池因具有较高的吸光系数,和较低的制备成本,而成为光伏太阳能电池发展的中坚力量。但由于薄膜太阳能电池效率较低,衰减较大,转换效率最高只有15%左右;多结太阳能电池是指针对不同波段的太阳能光谱,选取不同带宽的半导体材料制备成多个太阳能子电池,并将其串联起来形成的叠层多结太阳能电池。由于极大的提高了太阳能电池的光谱吸收范围,使得光电转换效率得到了较大提高,最高能达到44%以上。为了防止各个子电池之间的反向偏置,需要在各子电池中加入超薄的隧穿结,实现载流子的运输,再加上各个子电池的制备,导致多结太阳能电池的制备工艺非常复杂,制约了其产业化发展的进程。

近年来,一种平面异质结钙钛矿太阳能电池由于具有较高的吸光系数,较低的载流子复合率,制备工艺简单等优势而受到人们的广泛关注。钙钛矿太阳能电池是一种采用有机无机杂化的钙钛矿金属卤化物ABX3(A:CH3NH3+;B:Pb2+;X:Cl-,Br-,I-)作为吸光层的光伏太阳能电池。钙钛矿太阳能电池的工作原理是:在光照条件下,钙钛矿层吸收光,产生电子空穴对,电子空穴对在电子传输层和吸光层界面附近、吸光层和空穴传输层界面附近发生电子空穴分离,通过电子传输层和空穴传输层进行传输,并经由电极材料形成导电通路。其主要结构包括:玻璃衬底、导电电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极。

随着工艺的不断优化,钙钛矿太阳能电池的转换效率也随之不断提升。从2013年文献“M.Liu,M.B.Johnston,and H.J.Snaith Nature 2013 501 395”采用共蒸发方法制备钙钛矿薄膜,制成第一款转换效率为15.4%的平面异质结钙钛矿太阳能电池以来,工艺得到不断改善。到2014年文献“H.Zhao,Q.Chen,G.Li,S.Luo,T.Song,H-S.Duan,Z.Hong,J.You,and Y.Yang Science 2014 345 542”通过掺杂修饰电子传输层,得到了趋近于20%的转换效率。对钙钛矿太阳能电池结构的不断优化是提高钙钛矿太阳能电池转换效率的有效途径。



技术实现要素:

针对上述存在问题或不足,本发明提供了一种复合叠层钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本发明解决上述问题所采用的技术方案为:

一种复合叠层钙钛矿太阳能电池,其结构从下至上依次包括:衬底、导电电极、电子传输层、复合叠层钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极。

所述复合叠层钙钛矿吸光层的厚度≤400nm,其结构从下至上依次为:第一层为CH3NH3PbBr3,厚度100~150nm,以扩大吸光层对太阳能光谱的紫外光部分的吸收;第二层为CH3NH3PbI3,厚度100~150nm,以吸收来自太阳能光谱的可见光部分;第三层为NH2CHNH2PbI3,厚度100~150nm,以利于钙钛矿太阳能电池对太阳能光谱响应范围的红移。

所述衬底为玻璃材质或透明塑料。和衬底相连接的导电电极为透明导电玻璃(ITO或FTO)。电子传输层为TiO2或其掺杂物制成的致密薄膜,为了提高和钙钛矿吸光层的表面接触,其厚度在10~100nm之间。空穴传输层是有机材料Spiro-MeOTAD,其厚度在50~200nm之间。和空穴传输层连接的金属电极采用金、银、铜或铝,金属电极的厚度为80~150nm。

该复合叠层钙钛矿太阳能电池的制备方法,包括以下步骤:

步骤1.以覆盖导电电极的衬底作为基底,采用旋涂法制备致密的TiO2薄膜;

步骤2.再于上述TiO2薄膜上,采用旋涂法依次制备CH3NH3PbBr3层、CH3NH3PbI3层和FAPbI3层即复合叠层钙钛矿吸光层;

步骤3.再于上述复合叠层钙钛矿吸光层上采用旋涂法制备空穴传输层;

步骤4.再于上述空穴传输层上采用蒸镀法制备金属电极。

CH3NH3PbI3的禁带宽带为1.5eV,其光谱响应范围主要包括可见光范围。CH3NH3PbBr3的禁带宽度为1.9eV,具有良好的紫外光谱响应。通过改变A位离子的分子大小可以调控钙钛矿的禁带宽度,采用NH2CHNH2+离子替代CH3NH3+离子的钙钛矿材料NH2CHNH2PbI3的禁带宽度为1.4eV,相比于CH3NH3PbI3,具有更广泛的光谱响应范围。在平面异质结钙钛矿太阳能电池中,作为吸光层的钙钛矿材料和电子传输层、空穴传输层一起组成了P-i-N的异质结结构,钙钛矿层的主要作用是吸收太阳能光谱产生电子空穴对。基于以上考虑,本发明从扩大钙钛矿太阳能电池的光谱响应范围出发,将CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3和NH2CHNH2PbI3按照禁带宽度由上自下递减的顺序制备在一起,形成叠层复合的钙钛矿吸光层。采用本发明制备的钙钛矿太阳能电池,显著提高钙钛矿太阳能电池对自然光的光谱响应范围,能提升载流子浓度,从而进一步提升电池的光电转换效率。同时由于钙钛矿吸光层的主要作用是产生电子-空穴对,产生的电子-空穴对可以直接由电子传输层和空穴传输层通过外接电极实现导通,和传统的多结太阳能电池相比,不需要制备多级太阳能电池,不需要引入隧穿结,制备工艺大幅简化。

附图说明

图1为本发明的复合叠层钙钛矿太阳能电池结构示意图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示:从下至上分别是玻璃衬底、导电玻璃FTO、电子传输层TiO2、第一层钙钛矿吸光层CH3NH3PbBr3,第二层钙钛矿吸光层CH3NH3PbI3,第三层钙钛矿吸光层FAPbI3,空穴传输层Spiro-MeOTAD以及金属电极。其中玻璃衬底和导电玻璃FTO的厚度为200nm,电子传输层厚度80nm,空穴传输层的厚度100nm,CH3NH3PbBr3层的厚度130nm,CH3NH3PbI3层的厚度130nm,FAPbI3层的厚度140nm,叠层钙钛矿吸光层总厚度400nm。金属Ag电极的厚度为100nm。

步骤1.透明电极的制备:

在玻璃衬底上制备导电玻璃FTO膜,形成200nm厚度透明电极。

步骤2.导电玻璃的刻蚀清洗:

用防水胶保护FTO导电玻璃2/3厚度,将其放入Zn粉和2mol/L的盐酸水溶液中进行刻蚀,刻蚀完成后,用水冲洗基底,除去防水胶,用饱和的丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗,清洗完成后放入鼓风干燥箱进行干燥。

步骤3.电子传输层的制备:

在步骤2制得的基底上,以5000rpm旋涂TiO2前驱体溶液,之后在450℃加热40分钟,再退火至室温。

步骤4.吸光层CH3NH3PbBr3的制备:

配置PbBr2:CH3NH3Br为1:1.3的前驱体溶液,以3500rpm旋涂于TiO2电子传输层上,在110℃加热30分钟,再退火至室温。CH3NH3PbBr3层的厚度为130nm。

步骤5.吸光层CH3NH3PbI3的制备:

配置PbI2:CH3NH3I为1:1.3的前驱体溶液,以3500rpm旋涂于吸光层CH3NH3PbBr3上,在110℃加热30分钟,再退火至室温。CH3NH3PbI3层的厚度为130nm。

步骤6.FAPbI3层的制备:

在N2环境下,将3g的C3H6N2O2和8.2g的HI相混合,在0℃下反应2小时,沉淀物通过65℃旋蒸半小时后,再用乙醚和乙醇交替清洗,通过干燥处理后可得到FAI的白色粉末。配置Pb(OH)I与FAI摩尔比例为1:3的旋涂前躯体,以5000rpm将前躯体旋涂在CH3NH3PbI3层上,将旋涂完的FAPbI3一面放置在加热台上,加热至160℃半小时,直至颜色变深,即完成FAPbI3层的制备,厚度为140nm。

步骤7.空穴传输层的制备

在复合叠层钙钛矿吸光材料上以5000rpm旋涂溶解在绿苯溶剂中浓度为0.17M的Spiro层,在手套箱中放置8小时进行固化后,在干燥塔中氧化12小时,得到厚度为100nm的空穴传输层。

步骤8.金属电极的制备

采用真空热蒸法制备100nm厚的金属Ag电极。

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