一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池，包括导电基体、导电基体上的二氧化钛层，垂直生长在二氧化钛层上的二氧化钛纳米管层，旋涂于二氧化钛纳米管层上的界面修饰层，旋涂于界面修饰层上的钙钛矿光吸收层以及蒸镀于钙钛矿光吸收层上的金属电极，所述界面修饰材料为C60，所述钙钛矿光吸收层采用气相辅助溶液法制备。本发明还公开了该高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法。该钙钛矿太阳电池结构简单，制备工艺条件温和，生产成本低，稳定性好，光电转化效率高。
【专利说明】
一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池及其制备方法
技术领域
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[0001]本发明涉及太阳电池技术领域，具体的涉及一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池。
【背景技术】
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[0002]面对化石能源的日渐枯竭以及其在使用中对环境的污染，新型能源开发为人类文明可持续发展提供重要保障，太阳能光伏是其中最具有前景的方案。如何提高太阳能电池的光电转化效率来降低光伏发电成本，是目前光伏领域的核心研究课题。有机无机杂化的卤素钙钛矿材料在2009年首次被用于太阳能电池中，当时其光电转化效率只有3.8%。2011年后人们对该电池的研究取得一系列突破，其光电转化效率于2013年超过15%，在2014年5月已经实现19.3 %。短短两年内，钙钛矿太阳能电池的效率先后超越有机太阳能电池(I I % )和染料敏化电池(I 3 % )，有望可达到单晶硅太阳能电池(25.6 % )，松下公司的水平。随着钙钛矿太阳能电池效率纪录不断被刷新，人们开始更加关注该电池的稳定性、使用寿命、重金属元素铅的替代和大面积柔性器件的制备等方面的研究。
[0003 ]现有技术的钙钛矿太阳电池中都含有空穴导电层，空穴导电材料价格比较昂贵，大大增加了太阳电池的生产成本。无空穴传输材料钙钛矿电池能够进一步简化电池结构，降低成本，有利于提高电池稳定性，是钙钛矿电池重要发展方向。
【发明内容】
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[0004]本发明的目的是提供一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池，该电池结构得到进一步简化，降低了电池的生产成本呢，有利于提高电池的稳定性，且其光电转化效率高。
[0005]本发明的另一个目的是提供该钙钛矿太阳电池的制备方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0007]—种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池，包括导电基体、导电基体上的二氧化钛层，垂直生长在二氧化钛层上的二氧化钛纳米管层，旋涂于二氧化钛纳米管层上的界面修饰层，旋涂于界面修饰层上的钙钛矿光吸收层以及蒸镀于钙钛矿光吸收层上的金属电极，所述界面修饰材料为C6Q，所述钙钛矿光吸收层采用气相辅助溶液法制备。
[0008]一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，包括以下步骤:
[0009](I)将导电基体用丙酮、去离子水分别洗涤2-3次，烘干后用UVO处理10-15min;
[0010](2)将纯钛蒸镀到步骤(I)处理后的导电基体上，蒸镀一层厚度为100-200nm的纯钛，然后将镀有纯钛的导电基体通过有机电解液阳极氧化法一步制备二氧化钛层和二氧化钛纳米管层，清洗后放入马弗炉中500-550 0C退火处理30min，然后随炉冷却；
[0011](3)在二氧化钛纳米管层上旋涂C6q的有机溶液，旋涂的速度为2000-4000rpm，然后在50-70°C下加热15-30min，得到界面修饰层；
[0012](4)将PbX2前驱体溶液旋涂在界面修饰层上，然后在70-100°C下加热10_25min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为150-170°C下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbX2薄膜反应50-120min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在150-170°(:下干燥15-301^11，得到钙钛矿光吸收层；
[0013](5)在钙钛矿光吸收层上蒸镀金属材料作为电极，得到高效稳定的钙钛矿太阳电池。
[0014]作为上述技术方案的优选，所述导电基体为导电玻璃FT0。
[0015]作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述蒸镀的条件为蒸发功率为150-250A，蒸发速率为5-10nm/mino
[0016]作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述有机电解液阳极氧化法的条件为阳极氧化电压为50-60V，阳极氧化时间为30-60min。
[0017]作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述C6q的有机溶液为C6q的邻二氯苯溶液，C60 的浓度为 5_15mg/mL0
[0018]作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述碘化物粉末为CH3NH3I粉末或HC(NH2)21粉末。
[0019]作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述PbX2中，X为1、Br、Cl中的一种或多种混合。
[0020]作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述PbX2前驱体溶液的溶剂为N，N_二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、γ -丁内酯、N，N-二甲基乙酰胺中的一种，所述PbX2前驱体溶液中PbX2的浓度为 350-550mg/mL。
[0021]作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述钙钛矿光吸收层的厚度为50-100nm。
[0022]本发明具有以下有益效果:
[0023]本发明采用气相辅助溶液法制备钙钛矿薄膜作为光吸收层，制的的光吸收层质量高，电子和空穴传输速率大;并采用二氧化钛层和二氧化钛纳米管层作为电子传输层，同时利用C6Q的有机溶液修饰电子传输层和光吸收层，改善了电子传输层光吸收层之间的界面接触，减小了钙钛矿太阳电池的迟滞效应；
[0024]该方法制备的钙钛矿太阳电池稳定性好，光电转换效率高，且制备方法简单，生产成本低。
【具体实施方式】
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[0025]为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
[0026]实施例1
[0027]—种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，包括以下步骤:
[0028](I)将FTO玻璃用丙酮、去离子水分别洗涤2-3次，烘干后用UVO处理1min;
[0029](2)将纯钛蒸镀到步骤(I)处理后的FTO玻璃上，在蒸发功率为150A，蒸发速率为5nm/min的条件下蒸镀一层厚度为10nm的纯钛，然后将镀有纯钛的FTO玻璃通过有机电解液阳极氧化法在阳极氧化电压为50V，阳极氧化时间为30min的条件下一步制备二氧化钛层和二氧化钛纳米管层，清洗后放入马弗炉中500 0C退火处理30min，然后随炉冷却；
[0030](3)在二氧化钛纳米管层上旋涂浓度为5mg/mL的C6Q的邻二氯苯溶液，旋涂的速度为2000rpm，然后在50 °C下加热15min，得到界面修饰层；
[0031](4)将浓度为350mg/mL的PbI2的N，N-二甲基甲酰胺溶液旋涂在界面修饰层上，然后在70°C下加热1min，自然冷却后与CH3NH3I粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为lOKPa，温度为150°C下，加热CH3NH3I粉末，蒸发后与PbI2薄膜反应50min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在150°C下干燥15min，得到厚度为50nm的|丐钛矿光吸收层；
[0032](5)在钙钛矿光吸收层上蒸镀Au作为电极，得到高效稳定的钙钛矿太阳电池。
[0033]实施例2
[0034]一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，包括以下步骤:
[0035](I)将FTO玻璃用丙酮、去离子水分别洗涤2-3次，烘干后用UVO处理15min;
[0036](2)将纯钛蒸镀到步骤(I)处理后的FTO玻璃上，在蒸发功率为250A，蒸发速率为10nm/min的条件下蒸镀一层厚度为200nm的纯钛，然后将镀有纯钛的FTO玻璃通过有机电解液阳极氧化法在阳极氧化电压为60V，阳极氧化时间为60min的条件下一步制备二氧化钛层和二氧化钛纳米管层，清洗后放入马弗炉中550 0C退火处理30min，然后随炉冷却；
[0037](3)在二氧化钛纳米管层上旋涂浓度为15mg/mL的C6q的邻二氯苯溶液，旋涂的速度为4000rpm，然后在70 °C下加热30min，得到界面修饰层；
[0038](4)将浓度为550mg/mL的PbI2的二甲基亚砜溶液旋涂在界面修饰层上，然后在100°C下加热25min，自然冷却后与CH3NH3I粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为20KPa，温度为170°C下，加热CH3NH3I粉末，蒸发后与PbI2薄膜反应120min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在170°C下干燥30min，得到厚度为I OOnm的钙钛矿光吸收层；
[0039](5)在钙钛矿光吸收层上蒸镀Au作为电极，得到高效稳定的钙钛矿太阳电池。
[0040]实施例3
[0041 ] 一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，包括以下步骤:
[0042](I)将FTO玻璃用丙酮、去离子水分别洗涤2-3次，烘干后用UVO处理llmin;
[0043](2)将纯钛蒸镀到步骤(I)处理后的FTO玻璃上，在蒸发功率为170A，蒸发速率为6nm/min的条件下蒸镀一层厚度为120nm的纯钛，然后将镀有纯钛的FTO玻璃通过有机电解液阳极氧化法在阳极氧化电压为52V，阳极氧化时间为40min的条件下一步制备二氧化钛层和二氧化钛纳米管层，清洗后放入马弗炉中510 °C退火处理30min，然后随炉冷却；
[0044](3)在二氧化钛纳米管层上旋涂浓度为7mg/mL的C6q的邻二氯苯溶液，旋涂的速度为2500rpm，然后在55 °C下加热20min，得到界面修饰层；
[0045](4)将浓度为380mg/mL的PbCl2的二甲基亚砜溶液旋涂在界面修饰层上，然后在80°C下加热15min，自然冷却后HC(NH2)2I粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为15KPa，温度为155°C下，加热HC(NH2)2I粉末，蒸发后与PbCl2薄膜反应70min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在155 °C下干燥20min，得到厚度为60nm的|丐钛矿光吸收层；
[0046](5)在钙钛矿光吸收层上蒸镀Ag作为电极，得到高效稳定的钙钛矿太阳电池。
[0047]实施例4
[0048]一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，包括以下步骤:
[0049](I)将FTO玻璃用丙酮、去离子水分别洗涤2-3次，烘干后用UVO处理12min;
[0050](2)将纯钛蒸镀到步骤(I)处理后的FTO玻璃上，在蒸发功率为190A，蒸发速率为7nm/min的条件下蒸镀一层厚度为140nm的纯钛，然后将镀有纯钛的FTO玻璃通过有机电解液阳极氧化法在阳极氧化电压为54V，阳极氧化时间为45min的条件下一步制备二氧化钛层和二氧化钛纳米管层，清洗后放入马弗炉中520 0C退火处理30min，然后随炉冷却；
[0051 ] (3)在二氧化钛纳米管层上旋涂浓度为9mg/mL的C6q的邻二氯苯溶液，旋涂的速度为3000rpm，然后在60 °C下加热25min，得到界面修饰层；
[0052](4)将浓度为400mg/mL的PbCl2的γ -丁内酯溶液旋涂在界面修饰层上，然后在85°C下加热20min，自然冷却后与CH3NH3I粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为lOKPa，温度为1600C下，加热CH3NH3I粉末，蒸发后与PbCl2薄膜反应90min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在160°C下干燥25min，得到厚度为70nm的|丐钛矿光吸收层；
[0053](5)在钙钛矿光吸收层上蒸镀Au作为电极，得到高效稳定的钙钛矿太阳电池。
[0054]实施例5
[0055]—种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，包括以下步骤:
[0056](I)将FTO玻璃用丙酮、去离子水分别洗涤2-3次，烘干后用UVO处理13min;
[0057](2)将纯钛蒸镀到步骤(I)处理后的FTO玻璃上，在蒸发功率为21A，蒸发速率为8nm/min的条件下蒸镀一层厚度为140nm的纯钛，然后将镀有纯钛的FTO玻璃通过有机电解液阳极氧化法在阳极氧化电压为56V，阳极氧化时间为50min的条件下一步制备二氧化钛层和二氧化钛纳米管层，清洗后放入马弗炉中530 0C退火处理30min，然后随炉冷却；
[0058](3)在二氧化钛纳米管层上旋涂浓度为llmg/mL的C6q的邻二氯苯溶液，旋涂的速度为3500rpm，然后在65 °C下加热30min，得到界面修饰层；
[0059](4)将浓度为450mg/mL的PbBr2的N，N-二甲基乙酰胺溶液旋涂在界面修饰层上，然后在90°C下加热25min，自然冷却后与HC(NH2)2I粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为20KPa，温度为165°C下，加热HC(NH2)2I粉末，蒸发后与PbBr2薄膜反应lOOmin，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在165°C下干燥25min，得到厚度为SOnm的钙钛矿光吸收层；
[0060](5)在钙钛矿光吸收层上蒸镀Ag作为电极，得到高效稳定的钙钛矿太阳电池。
[0061 ] 实施例6
[0062 ] 一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，包括以下步骤:
[0063](I)将FTO玻璃用丙酮、去离子水分别洗涤2-3次，烘干后用UVO处理14min;
[0064](2)将纯钛蒸镀到步骤(I)处理后的FTO玻璃上，在蒸发功率为230A，蒸发速率为9nm/min的条件下蒸镀一层厚度为180nm的纯钛，然后将镀有纯钛的FTO玻璃通过有机电解液阳极氧化法在阳极氧化电压为58V，阳极氧化时间为55min的条件下一步制备二氧化钛层和二氧化钛纳米管层，清洗后放入马弗炉中540 0C退火处理30min，然后随炉冷却；
[0065](3)在二氧化钛纳米管层上旋涂浓度为13mg/mL的C6Q的邻二氯苯溶液，旋涂的速度为4000pm，然后在65 °C下加热30min，得到界面修饰层；
[0066](4)将浓度为500mg/mL的PbBr2的N，N-二甲基乙酰胺溶液旋涂在界面修饰层上，然后在95°C下加热20min，自然冷却后与CH3NH3I粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为15KPa，温度为170 0C下，加热CH3NH3I粉末，蒸发后与PbBr2薄膜反应I 1min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在170°C下干燥30min，得到厚度为90nm的|丐钛矿光吸收层；
[0067](5)在钙钛矿光吸收层上蒸镀Ag作为电极，得到高效稳定的钙钛矿太阳电池。
【主权项】
1.一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池，其特征在于，该钙钛矿太阳电池包括导电基体、导电基体上的二氧化钛层，垂直生长在二氧化钛层上的二氧化钛纳米管层，旋涂于二氧化钛纳米管层上的界面修饰层，旋涂于界面修饰层上的钙钛矿光吸收层以及蒸镀于钙钛矿光吸收层上的金属电极，所述界面修饰材料为C6Q，所述钙钛矿光吸收层采用气相辅助溶液法制备。2.如权利要求1所述的一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将导电基体用丙酮、去离子水分别洗涤2-3次，烘干后用UVO处理10-15min; (2)将纯钛蒸镀到步骤(I)处理后的导电基体上，蒸镀一层厚度为100-200nm的纯钛，然后将镀有纯钛的导电基体通过有机电解液阳极氧化法一步制备二氧化钛层和二氧化钛纳米管层，清洗后放入马弗炉中500-550 0C退火处理30min，然后随炉冷却； (3)在二氧化钛纳米管层上旋涂C6q的有机溶液，旋涂的速度为2000-4000rpm，然后在50-70°C下加热15-30min，得到界面修饰层； (4)将PbX2前驱体溶液旋涂在界面修饰层上，然后在70-100°C下加热10_25min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10_20KPa，温度为150-170°C下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbX2薄膜反应50-120min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在150-170°C下干燥15-30min，得到钙钛矿光吸收层； (5)在钙钛矿光吸收层上蒸镀金属材料作为电极，得到高效稳定的钙钛矿太阳电池。3.如权利要求2所述的一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述导电基体为导电玻璃FTO。4.如权利要求2所述的一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述蒸镀的条件为蒸发功率为150-250A，蒸发速率为5-10nm/min。5.如权利要求2所述的一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述有机电解液阳极氧化法的条件为阳极氧化电压为50-60V，阳极氧化时间为30_60min。6.如权利要求2所述的一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述C6q的有机溶液为C6q的邻二氯苯溶液、C6q的浓度为5-15mg/mL。7.如权利要求2所述的一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述碘化物粉末为CH3NH31粉末或HC (NH2)2I粉末。8.如权利要求2所述的一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述PbX2中，X为1、Br、Cl中的一种或多种混合。9.如权利要求2所述的一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述PbX2前驱体溶液的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、γ_ 丁内酯、N，N-二甲基乙酰胺中的一种，所述PbX2前驱体溶液中PbX2的浓度为350-550mg/mLo10.如权利要求2所述的一种无空穴传输层的高效稳定的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述钙钛矿光吸收层的厚度为50-100nm。
【文档编号】H01L51/46GK105957965SQ201610318902
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】王文庆
【申请人】东莞市联洲知识产权运营管理有限公司