NaTaO3作为电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法与流程

本发明属于光伏器件领域，具体涉及一种natao3作为电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法。

背景技术：

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池以其独特的光学特性以及简单的制备工艺被认为是可以与无机硅太阳能电池相媲美的一种能源形式。经过几年的发展，尽管其光电转换效率已超过22%，但是制造高效率和长期稳定的钙钛矿太阳能电池是实现其商业化的必要条件。钙钛矿太阳能电池有平面型和多孔型两种器件结构，近来，各种新型电子传输层已被用于平面结构psc中，以防止水分、氧气和紫外光进入钙钛矿层，目的在于提高电池的稳定性。目前报道的最先进的钙钛矿太阳能电池采用二氧化钛（tio2）作为电子传输层（etl）的结构。虽然tio2具有良好的电子选择性，但对氧气和紫外线的表面吸附可能限制钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性的进一步提高。已经尝试各种方法去提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率。例如，在etl和钙钛矿层之间插入界面层，掺杂tio2，或者直接替代tio2，其中通过选择优于tio2的新型电子传输层，直接替代tio2是最简单，最有效的方法。

技术实现要素：

为了解决以上现有技术存在的问题，本发明采用溶液处理的natao3薄膜作为电子传输层制备钙钛矿太阳能电池，以制备高效且稳定的钙钛矿太阳能电池。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

natao3作为电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：

（1）fto透明导电玻璃基片清洗和natao3薄膜制备：将fto透明导电玻璃基片清洗烘干后用紫外灯和臭氧处理，再将处理后的fto透明导电玻璃基片旋涂上natao3电子传输层，放到加热台上进行加热处理；

（2）钙钛矿薄膜的制备：将碘化甲铵和碘化铅溶于由二甲基亚砜和γ-丁内酯组成的混合溶液中，搅拌混合均匀后制得钙钛矿溶液，旋涂于步骤（1）中natao3电子传输层上制得钙钛矿薄膜层；

（3）spiro-ometad薄膜制备：将2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴spiro-ometad溶于氯苯中，搅拌混合得到spiro-ometad溶液，将其旋涂于步骤（2）制得的钙钛矿薄膜层上，即得均匀的空穴传输层；

（4）moo3和ag电极制备：采用蒸镀方法在空穴传输层上蒸镀moo3和ag电极。

优选的，所述步骤（1）中natao3电子传输层的热处理温度为100℃，加热时间为30min。

优选的，所述步骤（2）中碘化甲铵和碘化铅的摩尔比为1:1.2，二甲基亚砜和γ-丁内酯的体积比为3:7。

优选的，所述步骤（2）中的旋涂操作采用低速和高速的方式，速度分别为低速2000r/min，时间20s，高速4000r/min，时间40s，在高速阶段的第20s滴加氯苯作为反溶剂，旋涂后进行退火处理，退火温度为100℃，时间为10min。

优选的，所述步骤（3）中的旋涂速度为4000r/min，旋涂时间为40s。

优选的，所述步骤（4）中moo3的厚度为10nm，ag电极的厚度为100nm。

以上所述的制备方法制得的钙钛矿太阳能电池。

优选的，本发明所述的钙钛矿太阳能电池的器件结构为：natao3/钙钛矿薄膜/spiro-ometad/moo3/ag。

有益效果：本发明提供了一种natao3作为电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，具有以下优势：（1）使用natao3作为电子传输层，获得了更高的光电转换效率，其pce达到18.82％；（2）使用natao3作为电子传输层，薄膜表面更加光滑，可作为后续钙钛矿层沉积和生长的良好衬底，使钙钛矿薄膜结晶更加均匀致密；（3）使用natao3作为电子传输层，可以减缓钙钛矿层的降解过程，提高器件的稳定性；（4）使用natao3作为电子传输层，减少钙钛矿太阳能电池内部缺陷，制备了高效且稳定的钙钛矿太阳能电池。本发明制备方法新颖，制作工艺简单便捷，制备难度低，器件性能稳定。

附图说明

图1为本发明钙钛矿太阳能电池的结构示意图。

图2为旋涂在natao3电子传输层上的钙钛矿膜（b）和旋涂在tio2电子传输层上的钙钛矿膜（a）的扫描电子显微镜图。

图3为旋涂在natao3电子传输层上的钙钛矿膜（b）和旋涂在tio2电子传输层上钙钛矿膜（a）的x射线衍射图谱。

图4为不同厚度的natao3作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池器件的光电特性曲线图。

图5为相同储存条件下，未封装的natao3和tio2分别作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的标准化功率转换效率对应于时间的函数图。

图6为natao3和tio2分别作为电子传输层制备的钙钛矿太阳能电池的缺陷态分布对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1

natao3作为电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：

（1）fto透明导电玻璃基片清洗和natao3薄膜制备：将fto透明导电玻璃基片用去离子水、丙酮、乙醇反复超声清洗3次，然后在100℃下干燥至完全去除溶剂和水分，将处理后的fto透明导电玻璃基片用紫外灯和臭氧处理25min，将10mg的natao3分散于1ml去离子水里备用再把处理后的fto透明导电玻璃基片旋涂上电子传输层natao3，放到加热台上100℃加热30min，厚度70nm。

（2）钙钛矿薄膜的制备：将180mg碘化甲铵、553mg碘化铅溶于1ml二甲基亚砜和γ-丁内酯的混合溶液中，二甲基亚砜和γ-丁内酯的体积比为3:7，搅拌5h，得钙钛矿溶液，旋涂于步骤（1）中的电子传输层上，旋涂速度分别为低速2000r/min，时间20s，高速4000r/min，时间40s，在高速阶段的第20s滴加氯苯作为反溶剂，旋涂后进行退火处理，退火温度为100℃，时间为10min，厚度300nm。

（3）spiro-ometad薄膜制备：将90mgspiro-ometad溶于1ml氯苯中，搅拌3h得spiro-ometad溶液，将其旋涂于步骤（2）中钙钛矿薄膜上，旋涂速度为4000r/min，旋涂时间为40s，即得均匀的空穴传输层，厚度为170nm。

（4）moo3和ag电极制备：采用蒸镀方法在spiro-ometad薄膜上蒸镀moo3和ag电极，所述moo3的厚度为10nm，ag电极厚度为100nm。

该制备方法制得的钙钛矿太阳能电池的器件结构为：natao3/钙钛矿薄膜/spiro-ometad/moo3/ag，如图1所示。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于，将电子传输层的旋涂原料由natao3替换为tio2，其他步骤相同。

所制得的钙钛矿太阳能电池的器件结构为：fto/tio2/钙钛矿薄膜/spiro-ometad/moo3/ag。

将实施例1和对比例1制得的钙钛矿太阳能电池进行以下性能分析：

钙钛矿薄膜层性能分析：将旋涂在natao3电子传输层上的钙钛矿薄膜和旋涂在tio2电子传输层上的钙钛矿薄膜分别用扫描电子显微镜进行扫描，结果如图2所示，从图中可以看到，采用natao3作为电子传输层（图2b）有助于钙钛矿薄膜的生长，使得钙钛矿晶粒尺寸变大；

将两种钙钛矿薄膜进行x射线衍射分析，得到的图谱如图3所示，从图中可以看出，natao3电子传输层上的钙钛矿薄膜（图3b）具有更高的衍射强度，从而进一步证明采用natao3作为电子传输层有助于钙钛矿的结晶。

光电特性分析：将以不同厚度的natao3（40nm、60nm、80nm）作为电子传输层制得的钙钛矿太阳能电池器件进行光电特性分析，得到的光电特性曲线如图4所示，从图中可以看到，当厚度为60nm时，钙钛矿器件性能达到最高，其pce为18.82%，电压1.09v，电流达到24.10ma/cm²，填充因子达到73%。

标准化功率转换效率分析：在相同的储存条件下，将没有封装的分别以natao3和tio2作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池进行标准化功率转换效率分析，得到的标准化功率转换效率对应于时间的函数图如图5所示，从图中可以看到，采用natao3作为电子传输层制备的太阳能电池稳定性明显高于传统的tio2作为电子传输层的太阳能电池，在空气中存放近1000小时后，效率还保持初始效率的61%。

缺陷态分析：将以natao3和tio2分别作为电子传输层制备的钙钛矿太阳能电池进行缺陷态分析，图6为得到的缺陷态分布对比图，从图中可以看出natao3作为电子传输层制备的钙钛矿太阳能电池的缺陷态远远低于tio2作为电子传输层制备的钙钛矿太阳能电池的缺陷态。