一种钙钛矿基太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能电池，更具体地涉及一种钙钛矿基太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着世界人口的增长、工业的发展和城市化步伐的加快，全球范围的能源消耗持续增长，环境污染日益严重，用清洁的可再生能源替代传统能源迫在眉睫。其中，太阳能作为清洁的可再生能源由于分布广泛且用之不竭而备受关注。
[0003]太阳能最主要的利用方式是太阳能电池。近几年来一种以钙钛矿为吸光材料的新型太阳能电池发展迅猛，经过美国国家可再生能源实验室(NREL)认证的最高效率可达20.1%。已知的钙钛矿基太阳能电池具有多层结构，如图1所示，该钙钛矿基太阳能电池包括衬底1、电子传输层2、钙钛矿光吸收层3、空穴传输层4和背电极5，其具体工作过程原理包括:钙钛矿光吸收层3接受光照，产生的导带电子注入到电子传输层2中，进一步传输到衬底1 (阳极)和与该衬底1连接的外电路；钙钛矿光吸收层3的空穴注入到空穴传输层4中，进一步传输到背电极5 (阴极)和与该背电极5连接的外电路；最后通过负载完成光能向电能的转变。现有的钙钛矿基太阳能电池的空穴传输层4均是采用spiro-OMeTAD作为其空穴传输材料。spiro-OMeTAD为2，2’，7，7’ -四[N, N- 二 (4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’ -螺二菊(2, 2', 7, T -tetrakis(N, N-p-dimethoxy-phenylamino)_9，9' -spirobifluorene)，其合成工艺相当复杂，价格约为黄金的10倍，因此不利于钙钛矿基太阳能电池的商业化推广。
【发明内容】
[0004]为了解决上述现有技术中存在的价格昂贵的问题，本发明旨在提供一种新型的钙钛矿基太阳能电池及其制备方法。
[0005]本发明提供一种钙钛矿基太阳能电池，包括依次连接的衬底、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层和背电极，其中，所述空穴传输层包括导电聚合物，选自由以下聚合物组成的组中的至少一种聚合物:聚吡咯、聚苯撑乙炔、聚苯乙炔、聚对苯撑、聚对苯撑乙烯和聚噻吩。
[0006]所述衬底为氧化铟锡导电玻璃/聚萘二甲酸乙二醇酯柔性导电基片。
[0007]所述空穴传输层中不包括2，2’，7，7’ -四[N，N- 二(4-甲氧基苯基)氨基]-9, 9’ -螺二荷。
[0008]所述空穴传输层的厚度为30?400nm。
[0009]该钙钛矿基太阳能电池还包括介于空穴传输层和背电极之间的阻挡层。
[0010]该阻挡层为三氧化二铬层。
[0011]所述阻挡层的厚度为5?20nmo
[0012]本发明还提供一种钙钛矿基太阳能电池的制备方法，包括以下步骤:S1，提供一衬底；S2，在所述衬底的上方形成电子传输层；S3，在所述电子传输层的上方形成钙钛矿光吸收层；S4，在所述钙钛矿光吸收层的上方形成空穴传输层；以及S5，在所述空穴传输层的上方形成背电极，其中，将含有导电聚合物的溶液滴加在钙钛矿光吸收层上进行旋涂得到所述空穴传输层，所述导电聚合物为选自由以下聚合物组成的组中的至少一种聚合物:聚吡咯、聚苯撑乙炔、聚苯乙炔、聚对苯撑、聚对苯撑乙烯和聚噻吩。
[0013]在所述步骤S4之后和步骤S5之前，该制备方法还包括在空穴传输层的上方形成阻挡层，背电极形成在该阻挡层的上方。
[0014]在空穴传输层的上方旋涂一层三氧化二铬得到厚度为5?20nm的阻挡层。
[0015]由于导电聚合物相对于spiro-OMeTAD价格便宜，而其自身结构提供导电载流子，其导电率可以和金属相媲美，由此可以获得廉价的空穴传输材料，从而降低钙钛矿基太阳能电池的成本而使其商业化推广成为可能。另外，由于导电聚合物不易受外界环境的影响，本发明提供的钙钛矿基太阳能电池的稳定性获得提高。本发明通过选用氧化铟锡导电玻璃/聚萘二甲酸乙二醇酯柔性导电基片作为衬底，具有质量轻、韧性高、成本低、可进行各种形状或表面设计等优点，另外，还可采用成卷连续生产、快速涂布等技术，便于大面积生产；本发明通过在空穴传输层和背电极之间的阻挡层，防止外界空气与电池内部材料接触的阻挡层，例如使得钙钛矿光吸收层中的甲基碘化铵最大限度不受外界环境的影响，保持了活性，延长了钙钛矿基太阳能电池电池的使用寿命。而且，本发明的钙钛矿基太阳能电池的制备方法简单易行，大幅度节约成本。
【附图说明】
[0016]图1是现有技术的钙钛矿基太阳能电池的结构示意图；
[0017]图2是根据本发明的钙钛矿基太阳能电池的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
[0019]图2是根据本发明的钙钛矿基太阳能电池的结构示意图，包括依次连接的衬底10、电子传输层20、|丐钛矿光吸收层30、空穴传输层40和背电极50，所述空穴传输层40包括导电聚合物，选自由以下聚合物组成的组中的至少一种聚合物:聚吡咯、聚苯撑乙炔、聚苯乙炔、聚对苯撑、聚对苯撑乙烯和聚噻吩。
[0020]所述衬底10为氧化铟锡导电玻璃/聚萘二甲酸乙二醇酯柔性导电基片ΙΤ0/ΡΕΝ。ΙΤ0/ΡΕΝ是一种导电柔性基片，具有质量轻、韧性高、成本低、可进行各种形状或表面设计等优点，另外，由于该材料可采用成卷连续生产、快速涂布等技术，便于大面积生产。在一个优选的实施例中，所述衬底10的厚度为60?500nm。
[0021]所述电子传输层20为二氧化钛或氧化锌在衬底10的上方形成的均匀致密层。在一个优选的实施例中，所述电子传输层20的厚度为30?200nm。
[0022]所述钙钛矿光吸收层30包括三氧化二铝、二氧化钛或者二氧化锡在电子传输层20的上方形成的多孔结构和掺杂在其中的CH3NH3PbI(3 X)YX所形成的混合结构，其中，X =0?2，Υ为C1或Br。在一个优选的实施例中，所述钙钛矿光吸收层30包括二氧化钛形成的多孔结构和CH3NH3PbI3。在一个优选的实施例中，所述钙钛矿光吸收层30的厚度为100?lOOOnm。
[0023]所述空穴传输层40中不包括spiro-OMeTAD。所述导电聚合物为聚吡咯。在更优选的一个实施例中，该聚吡咯的分子量为2000?50000。在一个优选的实施例中，该空穴传输层40的厚度为30?400nmo
[0024]该钙钛矿基太阳能电池还包括介于空穴传输层40和背电极50之间的阻挡层60，该阻挡层60为三氧化二铬在空穴传输层40的上方形成的防止外界空气与电池内部材料接触的阻挡层，例如使得钙钛矿光吸收层30中的甲基碘化铵最大限度不受外界环境的影响，保持了活性，延长了钙钛矿基太阳能电池电池的使用寿命。在一个优选的实施例中，所述阻挡层60的厚度为5?20nm。
[0025]所述背电极50为金、银或碳中的至少一种蒸镀在阻挡层60上的结构。在一个优选的实施例中，所述背电极50为碳。在一个优选的实施例中，所述背电极50的厚度为50?200nmo
[0026]本发明还提供一种钙钛矿基太阳能电池的制备方法，包括以下步骤:S1，提供一衬底10 ;S2，在所述衬底10的上方形成电子传输层20 ;S3，在所述电子传输层20的上方形成钙钛矿光吸收层30 ;S4，在所述钙钛矿光吸收层30的上方形成空穴传输层40 ;以及S5，在所述空穴传输层40的上方形成背电极50，其特征在于，将含有导电聚合物的溶液滴加在钙钛矿光吸收层30上进行旋涂得到所述空穴传输层40，所述导电聚合物为选自由以下聚合物组成的组中的至少一种聚合物:聚吡咯、聚苯撑乙炔、聚苯乙炔、聚对苯撑、聚对苯撑乙烯和聚噻吩。
[0027]在所述步骤S1中，ΙΤ0/ΡΕΝ被清洗干燥以形成衬底10。具体地，将导电柔性基片ΙΤ0/ΡΕΝ剪裁后浸泡在乙醇溶液中，24h后取出，在95%的乙醇液中反复荡洗数次以清洗基片表面杂质，吹干后即获得衬底10。
[0028]在所述步骤S2中，在衬底10的上表面丝网印刷一层二氧化钛或氧化锌的透明导电层以形成电子传输层20。具体地，控制温度为400?500°C，加热1?3h，即得到厚度为30?200nm的电子传输层20。
[0029]在所述步骤S3中，在电子传输层20上旋涂三氧化二铝、二氧化钛或者二氧化锡多孔层浆料形成多孔结构；然后将CH3NH3PbI(3 ?八结合到多孔结构以形成钙钛矿光吸收层30。具体地，三氧化二铝、二氧化钛或者二氧化锡多孔层浆料滴加到电子传输层20上，4000r.min 1旋涂30s，在马弗炉中500°C烧结20?50min，冷却至室温，制得多孔疏松的多孔结构；然后将含有CH3NH3I的异丙醇溶液滴加在多孔结构上，2000r.min 1旋涂30s，然后在3000r.min 1旋涂30s，在加热板中50?120°C加热30min，冷却至室温；调节温度为50?120°C，在多孔结构上再旋涂含有PblJ^ DMF溶液，持续加热lh，即得到厚度为100?lOOOnm的钙钛矿光吸收层30。
[0030]在一个优选的实施例中，将含有聚吡咯的DMF溶液滴加在钙钛矿光吸收层上。具体地，3000r.min 1旋涂30s，然后在干燥器中过夜氧化，得到厚度为30?400nm的空穴传输层40。
[0031 ] 在所述步骤S4之后和步骤S5之前，该制备方法还包括在空穴传输层40的上方形成阻挡层60，背电极50形成在该阻挡层60的上方。具体地，在空穴传输层40的上方旋涂一层Cr203，即得到厚度为5?20nm的阻挡层60。
[0032]在所述步骤S5中，通过高温烧结电极材料形成背电极50。
[0033]电池效率测量方法:将制备好的太阳能器件的光阳极和光阴极分别与恒电位/恒电流仪的工作电极和对电极连接。光源使用500w氙灯，入射光强为100mW/cm2，光照面积为0.1cm20
[0034]实施例1
[0035]S1，将导电柔性基片ΙΤ0/ΡΕΝ剪裁后浸泡在乙醇溶液中，24h后取出，在95%的乙醇液中反复荡洗数次以清洗基片表面杂质，吹干即获得厚度为60nm的衬底10。
[0036]S2，在衬底10的上表面丝网印刷一层二氧化钛的透明导电层，控制温度为450°C，加热lh，即得到厚度为30nm的电子传输层20。
[0037]S3，用二氧化钛浆料与乙醇按质量比2:7配制二氧化钛多孔层浆料，将该二氧化钛多孔层浆料滴加到电子传输层20上，4000r.min 1旋涂30s，在马弗炉中500°C烧结20min，冷却至室温，制得多孔疏松的二氧化钛多孔结构；然后将含有5g甲基碘化铵(CH3NH3I)的异丙醇溶液滴加到二氧化钛多孔结构上，2000r.min 1旋涂30s，然后再3000r *min 1旋涂30s，在加热板中70°C加热30min，冷却至室温；调节温度为70°C，在多孔结构上再旋涂5g含有碘化铅(Pbl2)的DMF溶液，持续加热lh使得甲基碘化铵和碘化铅反应生成CH3NH3PbI3，即得到厚度为lOOnm的钙钛矿光吸收层30。
[0038]S4，在手操箱中，将10g含80%聚吡咯(分子量为20000)的DMF溶液滴加在钙钛矿光吸收层30上，3000r -min 1旋涂30s，然后在干燥器中过夜氧化，得到厚度为30nm的空穴传输层40。
[0039]S4’，在空穴传输层40的上方旋涂一层Cr203，