一种溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池及其制备方法
【专利摘要】本发明属于光电器件【技术领域】，公开了一种溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池及其溶液加工制备方法。该太阳电池包括依次层叠的衬底、阳极、阳极界面层、光活性层、阴极界面层和阴极；所述的光活性层的材料为可溶于溶剂具有钙钛矿结构的无机材料，且可通过添加聚合物添加剂提高性能。本发明提供了一种光活性层采用可溶液加工的钙钛矿有机-无机杂化材料，阳极界面层和阴极界面层采用有机材料溶液加工的平面异质结太阳电池器件。该方法有效改善电池器件加工中的能耗以及大面积生产问题，获得较高的效率；克服了现有技术需高温加工无机材料的不足，及有机太阳电池中材料成本高的缺点。可作为一种新型的材料和方法在太阳电池中应用。
【专利说明】一种溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池及其制备
【技术领域】
[0001]本发明属于光电器件【技术领域】，特别涉及一种溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池及其溶液加工制备方法。
【背景技术】
[0002]随着全球对于能源需求的逐年增加，石油、煤炭等传统能源的日益枯竭，以及对保护地球生态环境的需要，全世界越来越多的科学家将研究集中在氢气、太阳能等取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。
[0003]已经成熟的无机硅、砷化镓、磷化铟等基于无机材料的太阳电池已经在市场上占有主导地位,然而由于其对于材料纯度的要求高,加工过程中会产生高能耗及污染等问题，且其价格非常昂贵，因此在追求低成本和绿色环保的今天，其大规模应用受到了限制。
[0004]染料敏化太阳电池在上世纪90年代初取得了 12%的高效率后，其应用一直受到封装问题的阻碍。近年来开发的固体电解质以及掺杂的聚合物空穴材料可以很好的解决染料敏化电池的封装问题，但是其效率也有所降低。另外，染料敏化太阳电池在加工过程中需要高温处理TiO2的前驱体，将其转化成TiO2的无机半导体。这两点是染料敏化太阳电池商业化进程中的主要障碍。
[0005]具有钙钛矿结构的有机-无机杂化半导体材料在上世纪开始逐渐被人们所关注，其具备迁移率高，吸收好，以及可采用多种方式加工的优点。早期的研究者注重其迁移率高等特征，制备了相关的晶体管等器件。而在近几年，随着研究的逐渐深入，逐渐有学者开始利用I丐钛矿结构的有机-无机杂化材料制备染料敏化电池。2009年,Tsutomu Miyasaka研究组首次将钙钛矿结构的有机-无机杂化材料作为光活性层制备染料敏化太阳电池。其效率达到了 3.81% (J.Am.Chem.Soc.2009, 131,6050)。
[0006]染料敏化太阳电池制备过程中需要高温将TiO2的前驱体转化成无机半导体，并且高效的电池器件需要采用蒸镀的方法来制备活性层，制备工艺较为复杂。相比之下，有机太阳电池可以采用低温全溶液加工方法，这一点不仅可以使得生产能耗大幅降低，还能实现大面积生产。除此之外，有机太阳电池还可制备柔性器件，质量轻便，可满足不同的需要。目前其最高效率已超过10% (Nat.Commun.2013, 4，1446)。但，有机太阳电池材料生产成本高，难以工业化批产。
【发明内容】
[0007]为了克服上述现有技术中无机材料需高温加工的缺点与有机材料成本高的不足，本发明的首要目的在于提供一种溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池。该太阳电池光活性层由溶液加工法制备得到，具有高性能的钙钛矿结构，实现太阳电池的低温溶液加工，且光活性层中聚合物添加剂的加入，极大的提高了太阳电池的开路电压及器件性能。
[0008]本发明的另一目的在于提供一种上述溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池的溶液加工制备方法。[0009]本发明的目的通过下述方案实现:
[0010]一种溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池，包括依次层叠的衬底、阳极、阳极界面层、光活性层、阴极界面层和阴极。
[0011]所述的光活性层的材料为可溶于溶剂具有钙钛矿结构的无机材料。
[0012]所述的光活性层为化合物A和化合物B摩尔比为1:1~10:1的共混物。
[0013]所述化合物A为含卤素的有机盐或无机盐，优选为以下化合物中的至少一种=CH3NH3I > CH3NH3Br、CH3NH3CU CH3CH2NH3I' CH3CH2NH3Br、CH3CH2NH3CU CH3CH2CH2NH3I'CH3CH2CH2NH3Br, CH3CH2CH2NH3CU Cs1、CsBr, CsCl、CH(NH2)2I, CH(NH2)2Br, CH(NH2)2CUCH3CH (NH2)2I, CH3CH (NH2) 2Br、CH3CH (NH2) 2C1。
[0014]所述的化合物B为含卤素的金属无机盐，优选为以下化合物中的至少一种:PbI2、PbBr2λ PbCl2、Snl2、SnBr2Λ SnCl2、Gel2、GeBr2Λ GeCl20
[0015]本发明还提供一种所述光活性层的溶液加工方法，具体如下:把化合物A和化合物B按比例混合，溶于有机溶剂，加热反应后，涂覆在阳极界面层形成光活性层。
[0016]所述的有机溶剂优选为环己酮、环戊酮、Y-丁内酯、δ-戊内酯、Υ-戊内酯、ε-己内酯、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
[0017]所述的加热反应优选在60°C下反应12h。
[0018]所述涂覆的方法可为旋凃、刷涂、喷涂、浸凃、辊凃、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式。
[0019]本发明的溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池中的光活性层为高性能的钙钛矿结构，且可通过溶液法制备得到，可获得高效的太阳电池。
[0020]为了更好地提高本发明的溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池的开路电压及器件性能，光活性层中可加入一系列聚合物添加剂。
[0021]所述的聚合物添加剂为可溶于有机溶剂中的具有线性结构或者支化结构的聚合物。
[0022]优选地，所述的聚合物添加剂具有式(I )~(VI)所示结构中的至少一种:
[0023]
【权利要求】
1.一种溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池，其特征在于包括依次层叠的衬底、阳极、阳极界面层、光活性层、阴极界面层和阴极； 所述的光活性层的材料为可溶于溶剂具有钙钛矿结构的无机材料。
2.根据权利要求1所述的溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池，其特征在于:所述的光活性层为化合物A和化合物B摩尔比为1:1~10:1的共混物；所述化合物A为含卤素的有机盐或无机盐；所述的化合物B为含卤素的金属无机盐。
3.根据权利要求2所述的溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池，其特征在于:所述化合物A为以下 化合物中的至少一种:CH3NH31、CH3NH3Br, CH3NH3Cl, CH3CH2NH3KCH3CH2NH3Br、CH3CH2NH3Cl, CH3CH2CH2NH31、CH3CH2CH2NH3Br、CH3CH2CH2NH3Cl, Cs1、CsBr、CsCl、CH (NH2)2I, CH (NH2) 2Br、CH (NH2) 2C1、CH3CH (NH2) 21、CH3CH (NH2) 2Br、CH3CH (NH2) 2C1 ;所述化合物B 为以下化合物中的至少一种:PbI2、PbBr2, PbCl2, SnI2, SnBr2, SnCl2, GeI2, GeBr2, GeCl20
4.根据权利要求1所述的溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池，其特征在于:所述光活性层由溶液加工方法得到，具体如下:把化合物A和化合物B按比例混合，溶于有机溶剂，加热反应后，涂覆在阳极界面层形成光活性层。
5.根据权利要求4所述的溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池，其特征在于:所述的有机溶剂为环己酮、环戊酮、Y-丁内酯、S-戊内酯、Y-戊内酯、ε-己内酯、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种；所述的加热反应在60°C下反应12h。
6.根据权利要求1所述的溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池，其特征在于:所述的光活性层中含有一系列聚合物添加剂；所述的聚合物添加剂为可溶于有机溶剂中的具有线性结构或者支化结构的聚合物。
7.根据权利要求6所述的溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池，其特征在于:所用聚合物添加剂的量为化合物A与化合物B质量和的0.5~10%。
8.根据权利要求6所述的溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池，其特征在于:所述的聚合物添加剂具有式(I )~(VI)所示结构中的至少一种:
9.根据权利要求1所述的溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池，其特征在于:所述的阴极界面层为碳60及其衍生物、碳70及其衍生物、共轭聚合物、无机半导体纳米、石墨烯及其衍生物中的至少一种；所述的阴极材料为铝、银、金、钙/铝合金或钙/银合金；所述的阳极界面层为有机共轭聚合物或无机半导体；所述阳极为金属、金属氧化物和石墨烯及其衍生物中的至少一种；所述的衬底为玻璃、柔性材料、金属、合金和不锈钢薄膜中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的溶液加工的有机-无机平面异质结太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤: (1)在涂覆在衬底上的阳极表面旋涂上一层阳极界面层； (2)在阳极界面层上使用溶液加工法涂覆一层光活性层； (3)在光活性层上采用溶液加工法涂覆一层阴极界面层； (4)在阴极界面层上蒸镀一层金属层，作为阴极。
【文档编号】H01L51/48GK103956431SQ201410181380
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】叶轩立, 黄飞, 胡志诚, 薛启帆, 孙辰, 曹镛 申请人:华南理工大学