铯掺杂钙钛矿吸光层的制备方法与应用与流程

本发明涉及的是一种太阳能电池领域的技术，具体是一种铯掺杂钙钛矿吸光层的制备方法与应用。

背景技术：

近些年来，人类的工业和经济迅猛发展，对能源的需求与日俱增，而传统的化石能源等不可再生能源在地球上相当有限，人们需寻找一些取之不尽的可再生能源来满足生活和生产日益增长的需要。太阳能作为日常最广泛的一种能源，如果能被很好的利用起来，将会对人们需要发挥极大的价值，并且它还是一种清洁能源，有利于对自然环境的保护。

太阳能电池是可以把光能转化为电能的装置，也是最有效地利用太阳能的途径之一；太阳能电池体积较小、易于携带，只要在有一定紫外线或太阳光的地方，都可以便捷地从大自然中获取能量。在太阳能电池中硅太阳能电池较为成熟，电池稳定性强、光电转化效率高，然而也存在许多问题影响其应用推广，最主要的问题在于对原材料硅的要求较高，制备工艺复杂且成本高，导致大部分硅太阳能电池只能应用于微电子器件领域，无法进行大规模的商业应用。基于上述原因技术人员对钙钛矿太阳能电池不断改进以期替代硅太阳能电池，但基本结构的ch3nh3pbi3第三代钙钛矿太阳能电池的效率不高，并且稳定性较差，但是钙钛矿太阳能电池的改进空间依然巨大。另外没有封装的太阳能电池，在光照下与空气中水和氧气接触，生成很多中间副产物，严重影响电池的性能和大大减短了电池的寿命。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种铯掺杂钙钛矿吸光层的制备方法与应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种铯掺杂钙钛矿吸光层的制备方法,将fai、pbi2、mabr和pbbr2溶于dmso和无水dmf的混合溶液中，再加入混合有csi的dmso溶液，制备得到含铯的吸光层前驱体溶液；将含铯的吸光层前驱体溶液滴到tio2膜层上，采用两步旋涂法在tio2膜层上生长得到铯掺杂钙钛矿吸光层。

其中，fai为0.5-1.5mol，pbi2为0.5-2mol，mabr和pbbr2物质的量相同、均为0.1-1mol，csi为1.5mol，dmso和无水dmf的体积比为1：4。

两步旋涂法中第一次旋涂转速为800-2000rpm，时间为5-20s；第二次旋涂转速为4000-6000rpm，时间为10-25s。

本发明涉及一种封装太阳能电池，包括基片和凹形玻璃盖。

基片的顶面上设有两间隔设置的透明导电玻璃层，透明导电玻璃层优选采用fto导电玻璃，fto强度高，适合在实际应用中生产大面积太阳能电池；透明导电玻璃层通过激光刻蚀基片得到，有利于保证透明导电玻璃层边缘的光滑以及图案规则。

两透明导电玻璃层顶面上设置有tio2膜层，tio2膜层充满两透明导电层之间的间隙，tio2膜层顶面上设有铯掺杂钙钛矿吸光层。

铯掺杂钙钛矿吸光层顶面上设有空穴传输层，空穴传输层一侧向下延伸接于tio2膜层顶面上、呈l形，此结构有利于增大空穴传输层与钙钛矿层的面积，促进空穴的传输。

空穴传输层顶面上设有对电极，对电极沿着空穴传输层顶面延伸至tio2膜层顶面上、呈阶梯形。

凹形玻璃盖上一侧与两透明导电层中其中一个直接通过粘结剂粘结密封，凹形玻璃盖上另一侧与tio2膜层顶面上的对电极通过粘结剂粘结密封，对电极上部分结构露出凹形玻璃盖，此结构有利于在实际应用中，实现太阳能电池的并联(对电极与对电极相连)或太阳能电池的串联(对电极与透明导电玻璃层相连)，从而实现多块电池板连接，制作大规模太阳能板产品；凹形玻璃盖内壁顶部与对电极顶面之间设有间隙并粘结有干燥剂。

铯掺杂钙钛矿吸光层材料为csx(mayfa1-y)100-xpb(izbr1-z)3，y为0.1-0.2，z为0.1-0.2。

tio2膜层包括层叠设置的tio2介孔层和tio2致密层，tio2致密层设置在透明导电层上并充满两透明导电层之间的间隙，空穴传输层一侧和对电极一侧延伸至tio2介孔层上。

tio2致密层厚度为20-40nm，tio2介孔层厚度为120-200nm；铯掺杂钙钛矿吸光层厚度为300-800nm；空穴传输层厚度为150-300nm；对电极为au材质顶电极，厚度为70-150nm。

空穴传输层由混合在氯仿溶液中的spiro-ometad、li-tfsi、fk-209与tbp在铯掺杂钙钛矿吸光层上旋涂制成。

技术效果

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)在钙钛矿吸光层中掺杂铯，有利于提升吸光层的稳定性和电池的整体效率；相比于单纯的ch3nh3pbi3钙钛矿电池，有更好的热稳定性，产生的中间相杂质少，对空气中水和氧气的敏感度低；

2)蒸镀得到对电极后，对整个太阳能电池进行了封装，封装工艺简单有效，可以有效阻止空气中水和氧与电池的直接接触，从而避免水和氧与吸光层的反应，使电池具有长时间稳定性；尤其在高湿度和高温度条件下，相比未封装电池稳定性大幅度提升；

3)此封装的太阳能电池结构，便于在实际大规模生产过程中，通过多个太阳能电池的并联与串联，加工成大面积的太阳能电池板，应用于工业和生活中；

4)封装太阳能电池的性能优异，具有长期高稳定性；开路电压1.0-1.2v，短路电流密度20-26ma·cm²，填充因子0.5-0.8，光电转化效率为16％-21％；在自然环境下，使用500h后，标准化光电转化效率>80％。

附图说明

图1为实施例1中太阳能电池的结构示意图；

图2为实施例1中太阳能电池在自然环境下标准化光电转化效率性能图；

图中：基片1、凹形玻璃盖2、fto导电层3、tio2致密层4、tio2介孔层5、铯掺杂钙钛矿吸光层6、空穴传输层7、对电极8、环氧树脂9、干燥剂10。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及一种矩形结构封装太阳能电池，包括基片1和凹形玻璃盖2，基片顶面上设有两间隔设置的fto导电层3，两fto导电层3顶面上设置有tio2膜层，tio2膜层充满两fto导电层3之间的间隙，tio2膜层顶面上设有铯掺杂钙钛矿吸光层6，铯掺杂钙钛矿吸光层6顶面上设有空穴传输层7，空穴传输层7一侧向下延伸接于tio2膜层顶面上、呈l形，空穴传输层7顶面上设有对电极8，对电极8沿着空穴传输层7顶面延伸至tio2膜层顶面上、呈阶梯形；

tio2膜层包括层叠设置的tio2介孔层5和tio2致密层4，tio2致密层4设置在fto导电层3上并充满两fto导电层3之间的间隙，空穴传输层7一侧和对电极8一侧延伸至tio2介孔层5上。

凹形玻璃盖2一侧与tio2介孔层5直接通过光固化成型的环氧树脂9粘结密封，凹形玻璃盖2另一侧与延伸到tio2介孔层5上的对电极8通过光固化成型的环氧树脂9粘结密封，凹形玻璃盖2内壁顶部与对电极8之间设有间隙并粘结有硅胶干燥剂10。

铯掺杂钙钛矿吸光层材料为csx(mayfa1-y)100-xpb(izbr1-z)3，y为0.1-0.2，z为0.1-0.2。

tio2致密层厚度为20-40nm，tio2介孔层厚度为120-200nm；铯掺杂钙钛矿吸光层厚度为300-800nm；空穴传输层厚度为150-300nm；对电极为au材质顶电极，厚度为70-150nm。

本实施例中太阳能电池的制备包括：

a.fto导电层的制备；

选取适宜厚度的透明玻璃作为基片，优选厚度为2.2mm；在基片上蚀刻形成fto导电层，制得导电玻璃；

b.tio2膜层的制备；

b1，tio2致密层的制备:首先用去离子水和乙醇超声清洗导电玻璃，然后进行uv臭氧处理10-20min；接着采用喷雾热解法，在450℃下将二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯溶解于无水乙醇中得到的前驱体溶液沉积在fto导电层上，形成20-40nm厚的tio2致密层；

b2，tio2介孔层的制备；在tio2致密层上以4000rpm的转速旋涂前述前驱体溶液20s，再使用乙醇稀释，得到120-200nm厚的tio2介孔层，完成tio2膜层的制备。

c.铯掺杂钙钛矿吸光层的制备；

首先将1molfai、1.1molpbi2、0.2molmabr和0.2molpbbr2溶解在dmso与高纯无水dmf的混合溶液中，得到钙钛矿前驱体溶液；其中dmos与高纯无水dmf体积比为1:4；

再将1.5molcsi溶解在dmso溶液中，之后加入钙钛矿前驱体溶液中混合均匀制得铯掺杂钙钛矿前驱体溶液；

接着采用两步旋涂法，先后以1000rpm和6000rpm的转速将铯掺杂钙钛矿前驱体溶液旋涂在tio2膜层上，旋涂时间分别为10s和20s；在第二次旋涂结束之前5s至第二次旋涂结束之前1s内用移液枪匀速滴加100μl氯苯，在第二次旋涂结束之后立即将导电玻璃置于充满氮气的手套箱中，在80-120℃下退火，时间长度为8-15min，形成铯掺杂钙钛矿吸光层；

d.空穴传输层的制备；

在形成铯掺杂钙钛矿吸光层后冷却导电玻璃至室温，再以4000rpm的转速旋涂混合有70mmolspiroo-metad、35mmolli-tfsi、0.21mmolfk-209和231mmoltbp的氯苯溶液20s，制得空穴传输层；

e.对电极的制备；

在7×10^-4pa以下高真空条件下在空穴传输层上热蒸镀得到70-80nm厚的au顶电极；完成太阳能电池的制备；

f.太阳能电池的封装；

选取凹形玻璃盖，在玻璃盖内侧粘一层硅胶干燥剂，封装时，凹形玻璃盖和au顶电极之间留有空隙，最后用少量环氧树脂将凹形玻璃盖与基片四周粘结密封，得到如图1所示的封装太阳能电池。

将电池置于am1.5、100mw/cm²光照条件下，用keithley2400测试电池的j-v性能，得到太阳能电池的开路电压为1.12v，短路电流密度为22ma·cm²，填充因子为0.75，光电转化效率为20.5％；如图2所示，与未封装的铯掺杂钙钛矿太阳能电池和无铯掺杂未封装的钙钛矿太阳能电池相比，应用了此封装技术的钙钛矿太阳能电池光电转化效率具有长时间稳定性。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。