一种高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池及制备方法与流程

本发明属于电池制备技术领域，尤其涉及一种高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池及制备方法。

背景技术：

目前，钙钛矿结构的材料是指的任何与钛酸钙catio3具有相同晶体结构的材料，实验发现，当金属卤化物材料形成钙钛矿结构后，在光伏太阳能电池中作为采集层是非常有效的，能够成功地将太阳能转化为电能，基于该发现，2009年，钙钛矿结构的材料正式应用于薄膜太阳能电池中，在接下来的几年中，钙钛矿结构的材料在光伏领域有了极大的发展，光电转换率不断提升，特别是金属卤化物类钙钛矿材料，其原料一般为廉价的铅、卤素、及胺盐，来源广泛，制造成本较以往的硅基材料更低，在光电转化率方面，其从最初的3.8％发展到15.9％仅用了不到5年的时间，已经逐步接近硅基光伏材料的效率，目前，钙钛矿太阳能电池已经认证的效率达到了23.7％，因此使用钙钛矿结构的光伏材料的太阳能电池将能够完全取代传统的使用硅类光伏材料的太阳能电池；但钙钛矿太阳能电池重复性低、稳定性差等问题仍是其商业化应用进程的最大阻碍，由于钙钛矿吸湿会引起钙钛矿室温条件下不稳定，在氧气环境中会发生化学反应进而破坏晶体结构，使用一段时间后会出现较明显的效率衰减，目前发现二维钙钛矿材料相比三维钙钛矿电池具有较好的稳定性，但其光电转换效率相对较低。现有文件利用特殊的混合溶液加热旋涂制备得到低维锡基钙钛矿薄膜，所得到的太阳能电池光电转化效率有了一定提高，但仍无法满足实际使用需求。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前使用特殊的混合溶液加热旋涂制备得到低维锡基钙钛矿薄膜，制备的太阳能电池光电转化效率仍无法满足实际使用需求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池及制备方法。

本发明是这样实现的，一种高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池，所述高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池从下至上依次叠设有：

底层导电电极层、单晶硅层、电子传输层、钙钛矿层、空穴吸收层、电极层。

进一步，所述电子传输层与所述单晶硅层完全重合。

进一步，所述钙钛矿层上的晶粒大小为0.2-1.8μm。

进一步，所述钙钛矿层上的电子缺陷密度为1.02×10¹⁵cm^-3-1.87×10¹⁵cm^-3。

进一步，所述底层导电电极层与所述电极层厚度为30-50nm，所述单晶硅层厚度为200-300nm，所述电子传输层厚度为80-200nm，所述钙钛矿层厚度为120-300nm，所述空穴吸收层的厚度为160-180nm。

本发明的另一目的在于提供一种高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池的制备方法包括以下步骤：

步骤一，将单晶硅薄片覆在底层导电电极层上，形成单晶硅层；

步骤二，将电子传输层通过气相沉积法沉积在单晶硅层上，并进行退火处理；

步骤三，将硝酸镍溶于乙醇，旋涂至导电基质上，并进行加热，得到空穴传输层；

步骤四，将铅基材料和二维钙钛矿前驱体材料溶于甲醇中，得到混合溶液；将混合溶液转移至加热板上进行加热，生成混合单晶；将混合单晶溶解于异丙醇，得到混合单晶前驱体溶液；

步骤五，将混合单晶前驱体溶液旋涂至空穴传输层上，加热，得到钙钛矿层；

步骤六，在钙钛矿层表面蒸镀电极层，得到高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池；

所述底层导电电极层的制备包括：

(1)将玻璃基底在去离子水中进行超声处理并用氮气吹干；

(2)将银纳米线分散在异丙醇中，加入磺酸盐型表面活性剂，制得银纳米线油墨；

(3)将银纳米线油墨涂覆到玻璃基底上，形成银纳米线膜；

(4)对玻璃基底和银纳米线膜进行增强导电率处理；

(5)在银纳米线膜上覆盖一层聚甲基丙烯酸酯，并在烘箱中进行固化处理；

(6)使银纳米线膜剥离玻璃基底，得到底层导电电极层；

所述采用喷雾热解法制备电子传输层具体包括：

(1)将电子传输介质前驱体溶于乙醇中，并将溶液置于雾化器中；

(2)溶液经过雾化器雾化，以雾状喷入高温气氛中；

(3)溶剂蒸发伴随金属盐热分解，因过饱和而析出固相；

(4)固相沉积在底层导电电极层上，得到电子传输层；

所述将电子传输层通过气相沉积法沉积在单晶硅层上的中的气相沉积具体过程为：

将硅烷和雾化的气混合，融入到管式炉中，并在管式炉中加入催化剂；

在管式炉中底部固定有热电偶，利用热电偶加热；同时在管式炉中放置有单晶硅；

通过高温气氛电子传输层和硅烷在单晶硅上反应，将电子传输层沉积在单晶硅层。

所述电子传输层沉积在单晶硅层上进行退火处理的具体过程为：

将单晶硅放置在退热炉上，在温度在700℃时，对单晶硅开始退水处理；

当温度退到550℃时，进行保温3小时；

并且依次相隔150℃进行温度的降低，并保温3小时。

进一步，步骤三中，所述旋涂至导电基质上时，进行硝酸镍与乙醇溶液的加热，加热的温度为200℃-220℃，加热时间为20-30分钟。

进一步，步骤四中，所述二维钙钛矿前驱体材料为碘化苯乙胺。

进一步，步骤四中，所述将混合单晶溶解于异丙醇前，对混合单晶进行洗涤。

进一步，步骤六中，所述钙钛矿层表面蒸镀电极层的具体过程为：

利用清洗液体对钙钛矿层进行清洗，并进行烘干；

烘干完成后，将钙钛矿层放置在蒸镀机上，将需要蒸镀的一面朝向；

将对应的金属放置在金属坩埚中进行加热蒸发，蒸镀机使坩埚转到待蒸发的位置，并设定蒸镀的厚度进行蒸镀；

同时膜厚仪自动控制蒸发速度，蒸发过程中观察坩埚中金属材料溶化情况。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过铅基材料和二维钙钛矿前驱体材料制备得到单晶，在空气中将单晶溶解旋涂至空穴传输层表面，制备钙钛矿太阳能电池器件。由于二维钙钛矿材料的添加，使得钙钛矿太阳能电池的湿度稳定性得到了显著提高，并且二维钙钛矿材料相比三维钙钛矿电池具有较好的稳定性；通过材料的复合来弥补二维钙钛矿材料光电转换率差的缺陷，电池的光电转换率提高。本申请中的气相沉积法，可以提高电子传输层在单晶硅层上分散的均匀度；本发明中的电子传输层沉积在单晶硅层上进行退火处理方法，能够有效避免结构的组织缺陷，消除残余应力，防止出现工件变形、开裂；同时可以细化晶粒，改善组织以提高工件的机械性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池的制备方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的底层导电电极层的制备的流程图。

图3是本发明实施例提供的采用喷雾热解法制备电子传输层的流程图。

图4是本发明实施例提供的高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池的第一sem图。

图5是本发明实施例提供的高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池的第二sem图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池及制备方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池的制备方法包括以下步骤：

s101，将单晶硅薄片覆在底层导电电极层上，形成单晶硅层；

s102，将电子传输层通过气相沉积法沉积在单晶硅层上，并进行退火处理；

s103，将硝酸镍溶于乙醇，旋涂至导电基质上，并进行加热，得到空穴传输层；

s104，将铅基材料和二维钙钛矿前驱体材料溶于甲醇中，得到混合溶液；将混合溶液转移至加热板上进行加热，生成混合单晶；将混合单晶溶解于异丙醇，得到混合单晶前驱体溶液；

s105，将混合单晶前驱体溶液旋涂至空穴传输层上，加热，得到钙钛矿层；

s106，在钙钛矿层表面蒸镀电极层，得到高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池。

如图2所示，本发明实施例提供的底层导电电极层的制备包括：

s201，将玻璃基底在去离子水中进行超声处理并用氮气吹干；

s202，将银纳米线分散在异丙醇中，加入磺酸盐型表面活性剂，制得银纳米线油墨；

s203，将银纳米线油墨涂覆到玻璃基底上，形成银纳米线膜；

s204，对玻璃基底和银纳米线膜进行增强导电率处理；

s205，在银纳米线膜上覆盖一层聚甲基丙烯酸酯，并在烘箱中进行固化处理；

s206，使银纳米线膜剥离玻璃基底，得到底层导电电极层。

如图3所示，本发明实施例提供的采用喷雾热解法制备电子传输层具体包括：

s301，将电子传输介质前驱体溶于乙醇中，并将溶液置于雾化器中；

s302，溶液经过雾化器雾化，以雾状喷入高温气氛中；

s303，溶剂蒸发伴随金属盐热分解，因过饱和而析出固相；

s304，固相沉积在底层导电电极层上，得到电子传输层。

本发明实施例提供的s103中，本发明实施例提供的旋涂至导电基质上时，进行硝酸镍与乙醇溶液的加热，加热的温度为200℃-220℃，加热时间为20-30分钟。

本发明实施例提供的s104中，本发明实施例提供的二维钙钛矿前驱体材料为碘化苯乙胺。

本发明实施例提供的s104中，本发明实施例提供的将混合单晶溶解于异丙醇前，对混合单晶进行洗涤。

本发明实施例提供的s102中，将电子传输层通过气相沉积法沉积在单晶硅层上的中的气相沉积具体过程为：

将硅烷和雾化的气混合，融入到管式炉中，并在管式炉中加入催化剂；

在管式炉中底部固定有热电偶，利用热电偶加热；同时在管式炉中放置有单晶硅；

通过高温气氛电子传输层和硅烷在单晶硅上反应，将电子传输层沉积在单晶硅层。

本发明实施例提供的s102中，电子传输层沉积在单晶硅层上进行退火处理的具体过程为：

将单晶硅放置在退热炉上，在温度在700℃时，对单晶硅开始退水处理；

当温度退到550℃时，进行保温3小时；

并且依次相隔150℃进行温度的降低，并保温3小时。

本发明实施例提供的s106，所述钙钛矿层表面蒸镀电极层的具体过程为：

利用清洗液体对钙钛矿层进行清洗，并进行烘干；

烘干完成后，将钙钛矿层放置在蒸镀机上，将需要蒸镀的一面朝向；

将对应的金属放置在金属坩埚中进行加热蒸发，蒸镀机使坩埚转到待蒸发的位置，并设定蒸镀的厚度进行蒸镀；

同时膜厚仪自动控制蒸发速度，蒸发过程中观察坩埚中金属材料溶化情况。

本发明实施例提供的高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池从下至上依次叠设有：

底层导电电极层、单晶硅层、电子传输层、钙钛矿层、空穴吸收层、电极层。

本发明实施例提供的电子传输层与所述单晶硅层完全重合。

本发明实施例提供的钙钛矿层上的晶粒大小为0.2-1.8μm。

本发明实施例提供的钙钛矿层上的电子缺陷密度为1.02×10¹⁵cm^-3-1.87×10¹⁵cm^-3。

本发明实施例提供的底层导电电极层与所述电极层厚度为30-50nm，所述单晶硅层厚度为200-300nm，所述电子传输层厚度为80-200nm，所述钙钛矿层厚度为120-300nm，所述空穴吸收层的厚度为160-180nm。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施例1：

将玻璃基底在去离子水中进行超声处理并用氮气吹干；将银纳米线分散在异丙醇中，加入磺酸盐型表面活性剂，制得银纳米线油墨；将银纳米线油墨涂覆到玻璃基底上，形成银纳米线膜；对玻璃基底和银纳米线膜进行增强导电率处理；在银纳米线膜上覆盖一层聚甲基丙烯酸酯，并在烘箱中进行固化处理；使银纳米线膜剥离玻璃基底，得到底层导电电极层。

将单晶硅薄片覆在底层导电电极层上，形成单晶硅层。

将电子传输介质前驱体溶于乙醇中，并将溶液置于雾化器中；溶液经过雾化器雾化，以雾状喷入高温气氛中；溶剂蒸发伴随金属盐热分解，因过饱和而析出固相；固相沉积在底层导电电极层上，得到电子传输层；并进行退火处理。

将硝酸镍溶于乙醇，旋涂至导电基质上，并进行加热，得到空穴传输层；将铅基材料和二维钙钛矿前驱体材料溶于甲醇中，得到混合溶液；将混合溶液转移至加热板上进行加热，生成混合单晶；将混合单晶溶解于异丙醇，得到混合单晶前驱体溶液；将混合单晶前驱体溶液旋涂至空穴传输层上，加热，得到钙钛矿层；在钙钛矿层表面蒸镀电极层，得到高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池。

高光电转换率的二维钙钛矿太阳能电池的sem图如图4-图5所示。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。