一种新型杂化太阳能电池及其制备方法与流程

本发明涉及一种新型杂化太阳能电池及其制备方法，属于光电子器件技术领域。

背景技术：

近年来，为了解决日益严峻的能源和环境问题，人们把目光投向了新能源的开发和利用上。在各种新能源技术中，太阳能发电无疑是最具有前景的方向之一。传统的硅基太阳能电池虽然实现了产业化，有着较为成熟的市场，但其性价比还无法与传统能源相竞争，并且制造过程中的污染和能耗问题影响了其广泛应用。因此，研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池十分必要。在众多的新型太阳能电池里，钙钛矿太阳能电池近两年脱颖而出，自从2012年PARK课题组首次报道寿命500小时以上、效率达到9.7%的全固态钙钛矿太阳能电池以来，钙钛矿太阳能电池受到了学界和产业界的极大关注，发展迅速，还被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。

钙钛矿太阳能电池具有光吸收系数大、激子扩散长度长、载流子迁移率高等优点。典型的钙钛矿太阳能电池的结构有两种：一种为介孔结构，另一种为平面结构。与介孔结构相比，平面结构钙钛矿电池结构简单，可在低温条件下制备。平面钙钛矿太阳能电池就是在钙钛矿光敏层的前后分别加上电子传输层和空穴传输层形成三明治结构。。在平面钙钛矿太阳能电池中，使用最多的底电极是锡掺杂氧化铟(ITO)和空穴传输材料是Poly(3,4-ethylene dioxythiophene): poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) 。随着移动智能设备的快速发展,透明电极的市场迅猛增长。锡掺杂氧化铟(ITO)透明电极占据透明电极绝大部分的市场份额。但是铟是一种稀缺资源，价格昂贵，另一方面ITO存在脆性、耐热性差、和大面积下导电性差的问题，人们迫切的希望可以开发新的可以取代ITO 的透明电极。同时，虽然使用PEDOT:PSS作为空穴传输层的钙钛矿电池可以达到较高的效率，但是由于PEDOT:PSS具有较强的酸性，其对ITO电极会产生较强的腐蚀作用，造成器件寿命的下降。因此在钙钛矿杂化太阳能中开发新的透明电极对于提高器件寿命，降低器件成本具有重要的意义。。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型杂化太阳能电池及其制备方法。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种新型杂化太阳能电池，其特征在于，器件由下到上依次包括透明衬底、复合底电极、空穴传输层、有机无机杂化钙钛矿光敏层、电子传输层、电极修饰层和反射电极层。

进一步的，所述的透明衬底为玻璃衬底或者柔性透明衬底。

进一步的，所述的复合底电极为MoO₃/Ag/MoO₃， MoO₃、Ag、MoO₃的厚度分别为20-50 nm、10-15 nm、20-50 nm。

进一步的，所述的空穴传输层为PEDOT:PSS，空穴传输层厚度20-50 nm。

进一步的，所述的有机无机杂化钙钛矿光敏层CH₃NH₃PbCl_XI_3-X，CH₃NH₃PbCl_XI_3-X光敏层厚度为100-1000 nm。

进一步的，所述的电子传输层为C₆₀、C₇₀或者PCBM中的一种，电子传输层厚度为30-50 nm；所述的电极修饰层为Bphen、BCP或者AlQ₃中的一种，电极修饰层厚度5-10 nm。

进一步的，所述的反射电极为Al电极、Ag电极、Au电极中的一种，所述反射电极的厚度为100-200 nm。

进一步的，器件的制备包括以下步骤：

(1) 透明衬底预处理：透明衬底采用丙酮、玻璃清洗剂依次清洗，然后在丙酮、去离子水、异丙醇中各超声处理10分钟，用氮气吹干后紫外灯照射处理10分钟待用；

(2) 复合底电极层制备：真空镀膜机中，真空度小于5×10^-4的真空条件下，在透明衬底上通过热蒸发的方法依次沉积一层20-50 nm的MoO₃、10-20 nm的Ag、20-50 nm的MoO₃，形成MoO₃/Ag/MoO₃底电极；各层的沉积厚度通过石英晶振片监控，沉积速率控制在0.05 nm/s；

(3) 空穴传输层制备： 在MoO₃/Ag/MoO₃底电极上，采用旋转涂覆的方法生长一层PEDOT:PSS空穴传输层，涂覆完毕后在120℃加热板上退火20分钟；

(4) 有机无机杂化钙钛矿光敏层制备：室温下配置有机无机杂化钙钛矿前驱体溶液，将定量的CH₃NH₃I、PbX₂(式中X为Cl或I）)在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中溶解，60℃条件下加热12小时至溶解充分，得到有机无机杂化钙钛矿前驱体溶液；利用匀胶机将前驱体溶液旋转涂覆在空穴传输层上；在100℃的加热板上退火处理30-120分钟，去除残留溶剂并制得结晶性能良好的有机无机杂化钙钛矿光敏层；

(5)电子传输层制备：真空度小于5×10^-4的真空条件下，在有机无机杂化钙钛矿光敏层上通过热蒸发的方法或者旋转涂覆的方法生长一层30-50 nm的C₆₀、C₇₀或者 PCBM作为电子传输层；

(6)电极修饰层制备：在电子传输层上通过热蒸发的方法或者旋转涂覆的方法生长一层5-10 nm的Bphen、BCP或者AlQ₃作为电极修饰层；

(7)反射电极层制备：在电极修饰层上通过热蒸发的方法沉积一层100-200 nm的Al、Ag或者Au作为反射电极层，获得杂化太阳能电池。

本发明采用MoO₃/Ag/MoO₃透明电极作为杂化太阳能电池的底电极层，各层的作用如下：(1)Ag层负责电荷的收集，提高底电极的导电性；(2)前层MoO₃层可以增加底电极的透光性，提高器件的效率，提高沉积的Ag在基板上的附着性；(3)后层的MoO₃可以对薄的Ag起到有效的保护作用，同时提高底电极的功函数，促进空穴的收集，提高器件的寿命和效率。本发明的有益效果如下：本发明的新型杂化太阳能电池结构与制备方法至少具有以下作用:(1)避免了传统ITO透明电极的使用，节约了铟资源，降低了器件成本；(2) MoO₃/Ag/MoO₃化学性质稳定，避免了酸性的PEDOT:PSS空穴传输层对ITO底电极的腐蚀，提高了器件的寿命；(3)所述的MoO₃/Ag/MoO₃底电极可以采用现有的OLED蒸镀设备一次成膜制备，操作简单、成本低廉、与柔性基底兼容，易于实现大面积工业生产。

附图说明

图1为本发明的新型杂化太阳能电池结构示意图。

图2为本发明的复合底电极层结构示意图。

具体实施方式

一种新型杂化太阳能电池，器件结构示意如图1所示，器件由下到上依次包括透明衬底、复合底电极层、空穴传输层、有机无机杂化钙钛矿光敏层、电子传输层、电极修饰层和反射电极层。其中复合底电极层如图2所示，包括一次生长的一层MoO₃ 、一层Ag和另一层MoO₃。下面结构具体实施例对本发明作更详细的说明。

实施例一：一种新型杂化太阳能电池，器件结构为Glass/ MoO₃(20 nm)/Ag (10 nm)/MoO₃ (20 nm)/PEDOT:PSS (40 nm)/CH₃NH₃PbI₃ (300 nm)/C₆₀ (30 nm)/BCP (5 nm)/Ag (100 nm)，其中Glass为透明衬底、MoO₃/Ag/MoO₃为复合底电极层、PEDOT:PSS为空穴传输层、CH₃NH₃PbI₃为有机无机杂化钙钛矿光敏层、C₆₀为电子传输层、BCP为电极修饰层和Ag为反射电极层。

器件的制备包括(1) 玻璃透明衬底预处理：玻璃透明衬底采用丙酮、玻璃清洗剂依次清洗，然后在丙酮、去离子水、异丙醇中各超声处理10分钟，用氮气吹干后紫外灯照射处理10分钟待用；

(2) 复合底电极层制备：真空镀膜机中，真空度小于5×10^-4的真空条件下，在玻璃透明衬底上通过热蒸发的方法依次沉积一层20 nm的MoO₃、10 nm的Ag、20 nm的MoO₃，形成MoO₃/Ag/MoO₃底电极层；各层的沉积厚度通过石英晶振片监控，沉积速率控制在0.05 nm/s；

(3) 空穴传输层制备： 在MoO₃/Ag/MoO₃底电极上，采用旋转涂覆的方法生长一层PEDOT:PSS空穴传输层，转速3500rpm，旋转50秒，涂覆完毕后在120℃加热板上退火20分钟；

(4) 有机无机杂化钙钛矿光敏层制备：室温下配置有机无机杂化钙钛矿前驱体溶液，使用 N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂，配置浓度为1M, CH₃NH₃I与PbI₂摩尔比为1:1的有机无机杂化钙钛矿前驱体溶液，溶液在60℃条件下加热12小时至溶解充分；利用匀胶机将前驱体溶液旋转涂覆在空穴传输层上；转速2000rpm，旋转30秒，在100℃的加热板上退火处理60分钟，去除残留溶剂并制得结晶性能良好的CH₃NH₃PbI₃有机无机杂化钙钛矿光敏层；

(5)电子传输层制备：真空镀膜机中，真空度小于5×10^-4Pa条件下，在CH₃NH₃PbI₃有机无机杂化钙钛矿光敏层上通过热蒸发的方法生长一层30 nm的C₆₀作为电子传输层；

(6)电极修饰层制备：在C₆₀电子传输层上通过热蒸发的方法生长一层5 nm的BCP作为电极修饰层；

(7)反射电极层制备：在电极修饰层上通过热蒸发的方法沉积一层100 nm的Ag作为反射电极层，获得杂化太阳能电池。

实施例二：一种新型杂化太阳能电池，器件结构为PET/ MoO₃(30 nm)/Ag (15 nm)/MoO₃ (40 nm)/PEDOT:PSS (50 nm)/CH₃NH₃PbI_3-XCl_X (200 nm)/PCBM(40 nm)/Bphen(10 nm)/Al (150 nm)，其中PET为柔性透明衬底、MoO₃/Ag/MoO₃为复合底电极层、PEDOT:PSS为空穴传输层、CH₃NH₃PbI_3-XCl_X为有机无机杂化钙钛矿光敏层、PCBM为电子传输层、Bphen为电极修饰层和Al为反射电极层。

器件的制备包括：

(1) PET透明衬底预处理：PET透明衬底采用丙酮、玻璃清洗剂依次清洗，然后在丙酮、去离子水、异丙醇中各超声处理10分钟，用氮气吹干后紫外灯照射处理10分钟待用；

(2) 复合底电极层制备：真空镀膜机中，真空度小于5×10^-4的真空条件下，在PET透明衬底上通过热蒸发的方法依次沉积一层30 nm的MoO₃、15 nm的Ag、40 nm的MoO₃，形成MoO₃/Ag/MoO₃底电极层；各层的沉积厚度通过石英晶振片监控，沉积速率控制在0.05 nm/s；

(3) 空穴传输层制备： 在MoO₃/Ag/MoO₃底电极上，采用旋转涂覆的方法生长一层PEDOT:PSS空穴传输层，转速3000rpm，旋转40秒，涂覆完毕后在120℃加热板上退火20分钟；

(4) 有机无机杂化钙钛矿光敏层制备：室温下配置有机无机杂化钙钛矿前驱体溶液，使用 N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂，配置浓度为1M, CH₃NH₃I与PbCl₂摩尔比为3:1的有机无机杂化钙钛矿前驱体溶液，溶液在60℃条件下加热12小时至溶解充分；利用匀胶机将前驱体溶液旋转涂覆在空穴传输层上；转速4000rpm，旋转30秒，在100℃的加热板上退火处理120分钟，去除残留溶剂并制得结晶性能良好的CH₃NH₃PbI_3-XCl_X有机无机杂化钙钛矿光敏层；

(5)电子传输层制备：使用匀胶机在CH₃NH₃PbI_3-XCl_X上旋转涂覆质量分数5%的PCBM甲苯溶液，转速3000rpm，旋转时间35秒；

(6)电极修饰层制备：在PCBM电子传输层上通过热蒸发的方法生长一层10 nm的Bphen作为电极修饰层；

(7)反射电极层制备：在电极修饰层上通过热蒸发的方法沉积一层150 nm的Al作为反射电极层，获得杂化太阳能电池。