一种高效钙钛矿太阳能电池及其制备方法与流程

本发明属于半导体光电子器件技术领域，具体涉及钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

如今，太阳能已经成为可再生能源的重要组成部分。钙钛矿电池由于其制备成本低、制备工艺简单、光电转化效率高等诸多优势，被认为是最有前途的新一代光伏太阳能电池。经过近几年快速发展，其光电转化效率已经从2009年的3.8%提升到了2017年7月的22.7%。该效率已经能够和硅基太阳能电池相媲美。

钙钛矿吸收层的质量将会直接影响钙钛矿太阳能电池的光电特性。钙钛矿太阳能电池存在很多缺陷态，这些主要由体缺陷和表面缺陷构成的缺陷态起到载流子复合中心的作用。表面缺陷存在于钙钛矿的晶粒边界和钙钛矿吸收层界面处，由表面悬挂键和不饱和原子产生。体缺陷存在于钙钛矿晶体内，由空位和间隙原子构成。钙钛矿吸收层的表面形貌和材料特性也会影响缺陷态密度。降低缺陷态密度将会有效地提升器件的性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低成本、高效率的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

本发明提供的高效钙钛矿太阳能电池，通过叠层制备工艺制备得到，其结构由下至上依次包括：透明衬底，第一透明电极层，半透明功能层，第二电极层；其中：

所述透明衬底为石英材质硬质玻璃衬底或柔性pet或柔性pen衬底。石英材质硬质玻璃衬底耐高温、透光率高。

所述第一透明电极层位于透明衬底之上，其材质为金属氧化物，例如为ito或fto，其厚度为100-200nm，方块电阻小于10ω/□。

所述半透明功能层位于第一透明电极层之上，半透明功能层由下至上依次为电子传输层、钾卤素盐层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层，或者为空穴传输层、钾卤素盐层、钙钛矿光吸收层、电子传输层；

电子传输层的材料可以为但不限于tio2、sno2、zno、pcbm或c60，厚度为25-200nm；

钾卤素盐层的材料为kf、kcl、kbr或ki，厚度为30-300nm；

钙钛矿光吸收层的材料可以为但不限于fa0.85ma0.15pb(i0.85br0.15)3、mapbi3或mapbi3-xclx，其厚度小于350nm,例如为100-350nm；

空穴传输层的材料可以为但不限于spiro-ometad、pedot：pss、niox、p3ht或ptaa，其厚度为40-200nm；

所述第二电极层位于半透明电极层之上，其材质为金或银。厚度为40-150nm。

本发明钙钛矿太阳能电池的制备方法,包括以下步骤：

（1）对透明导电衬底进行清洗、干燥及表面亲水性改善；

（2）在衬底上制备第一透明电极层；

（3）在超净间中在第一透明电极层上制备电子传输层，之后在电子传输层上旋涂钾卤素盐层，在水氧含量均低于1ppm的手套箱中，采用溶液法在电子传输层上依次制备钙钛矿光吸收层、空穴传输层；

或者在超净间中在第一透明电极层上制备空穴传输层，之后在空穴传输层上旋涂钾卤素盐层，在水氧含量均低于1ppm的手套箱中，采用溶液法在空穴传输层上依次制备钙钛矿光吸收层、电子传输层；

（4）将制备好的基片迅速放入真空蒸发镀膜机内，蒸镀形成第二电极层，完成钙钛矿太阳能电池的制备。

本发明提供的高效钙钛矿太阳能电池，其工作原理为：当太阳光照射到电极上，钙钛矿吸收层吸收可见光、紫外光，在吸光层内产生激子，激子运动到吸光层、电荷（电子、空穴）传输层界面，在自建电场的作用下，电子和空穴分离，电子传输层传输电子到阴极，空穴传输层传输空穴到达阳极，形成串联光电流。电荷传输层包括电子传输层和空穴传输层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）相比于没有钾卤素盐的钙钛矿太阳能电池，本发明所涉及的钙钛矿太阳能电池的光吸收明显增强，钙钛矿层的晶粒会增大，钙钛矿的结晶性会明显增强。同时，钾卤素盐会在退火过程中扩散到钙钛矿层中去，钝化钙钛矿层中的缺陷态，最终提升钙钛矿太阳能电池的性能；

（2）本发明所涉及的钙钛矿太阳能电池制备过程采用溶液法，具有制备工艺简单、成本低等优点。可以有效提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率并使其具有更大的市场潜力。

本发明是一种高效的钙钛矿太阳能电池，钾卤素盐会在钙钛矿的退火过程中扩散到钙钛矿光吸收层中，增强钙钛矿的结晶性，增强钙钛矿的光吸收，略微减小钙钛矿的禁带宽度，并钝化钙钛矿光吸收层的缺陷态，最终提升钙钛矿太阳能电池的效率。

附图说明

图1为本发明实施例1中一种高效钙钛矿太阳能电池的结构示意图。

图中标号：101是透明衬底，102是第一透明电极层，103是电子传输层，104是钾卤素盐层，105钙钛矿光吸收层，106是空穴传输层，107是第二电极层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

一种高效钙钛矿太阳能电池的结构如图1所示：101是透明衬底、102是第一透明电极层、103是电子传输层、104是钾卤素盐层、105是钙钛矿光吸收层、106是空穴传输层、107是第二电极层。透明衬底为石英玻璃；第一透明电极层为ito，厚度为100nm；电子传输层为sno2，厚度为25nm；钾卤素盐层为kcl，厚度为15nm；钙钛矿层为mapbi3-xclx，厚度为300nm；空穴传输层为spiro-ometad，厚度为50nm；第二电极层为金，厚度为50nm。

实施例1中的钙钛矿太阳能电池的制备方法如下：

ito导电玻璃依次用乙醇、丙酮、去离子水清洗，干燥后用紫外臭氧清洗机除去残留的有机物；将浓度为2.67%的sno2纳米溶胶，旋涂至干净的ito透明导电玻璃表面，并在180℃下退火30min，获得厚度为25nm的sno2电子传输层。将浓度为25mg/ml的kcl水溶液旋涂至电子传输层上，形成均一的kcl薄膜，真空中130℃退火15min，获得kcl层；在体积比为7:3的γ-丁内酯和二甲基亚砜的混合溶液中加入碘化铅、氯化铅和碘甲胺，所述碘化铅、氯化铅和碘甲胺的摩尔比为1:0.1:1.2，在手套箱中50℃恒温搅拌12h，形成黄色均匀的40wt%的钙钛矿前驱体溶液；将所得的钙钛矿前驱体溶液用反溶液法旋涂至kcl层上，形成均匀的mapbi3-xclx薄膜，在100℃下退火14min，获得致密的钙钛矿光吸收层。在1ml氯苯中加入spiro-ometad72.3mg，二（三氟甲磺酰）亚胺锂（li-tfsi）17.5μl，fk20915μl，4-叔丁基吡啶29μl，在室温下搅拌3h形成空穴传输层材料溶液；将所得的空穴传输层材料溶液旋涂钙钛矿光吸收层上，形成空穴传输层。最后，通过热蒸镀法在空穴传输层上蒸镀金电极，完成钙钛矿太阳能电池的制备。

实施例2

钙钛矿太阳能电池的结构从下往上依次为：透明衬底、第一透明电极层、空穴传输层、钾卤素盐层、钙钛矿光吸收层、电子传输层、第二电极层。透明衬底为石英玻璃；第一透明电极层为ito，厚度为100nm；空穴传输层为niox，厚度为40nm；钾卤素盐层为kcl，厚度为15nm；钙钛矿层为mapbi3-xclx，厚度为300nm；电子传输层为pcbm，厚度为50nm；第二电极层为银，厚度为80nm。

实施例1中的钙钛矿太阳能电池的制备方法如下：

ito导电玻璃依次用乙醇、丙酮、去离子水清洗，干燥后用紫外臭氧清洗机除去残留的有机物；将硝酸镍的乙醇溶液，旋涂至干净的ito透明导电玻璃表面，并在280℃下退火30min，获得厚度为40nm的niox空穴传输层。将浓度为25mg/ml的kcl水溶液旋涂至空穴传输层上，形成均一的kcl薄膜，真空中130℃退火15min，获得kcl层；在体积比为7:3的γ-丁内酯和二甲基亚砜的混合溶液中加入碘化铅、氯化铅和碘甲胺，所述碘化铅、氯化铅和碘甲胺的摩尔比为1:0.1:1.2，在手套箱中50℃恒温搅拌12h，形成黄色均匀的40wt%的钙钛矿前驱体溶液；将所得的钙钛矿前驱体溶液用反溶液法旋涂至kcl层上，形成均匀的mapbi3-xclx薄膜，在100℃下退火14min，获得致密的钙钛矿光吸收层。在1ml氯苯中加入pcbm20mg，在室温下搅拌3h形成电子传输层材料溶液；将所得的电子传输层材料溶液旋涂钙钛矿光吸收层上，形成电子传输层。最后，通过热蒸镀法在电子传输层上蒸镀金电极，完成钙钛矿太阳能电池的制备。

本发明所涉及的钙钛矿太阳能电池的能量转换效率可以达到19.4%。

最后说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而并非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。