双面无机半透明CsPbBr3薄膜钙钛矿太阳电池及其制备方法

双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体太阳电池领域，具体涉及一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池及其制备方法。


背景技术：

2.能源危机是当今社会面临的重要问题，发展以太阳能等清洁能源为主的新型发电技术是兼顾能源供应与环境保护的有效途径。以有机金属卤化钙钛矿为代表的新型光伏材料近几年获得广泛关注，并取得了长足进步。近年来，新型钙钛矿薄膜太阳电池因其带隙可调(1.2-2.3ev)、光吸收系数高、能量转换效率高(25.2％)、制造成本低等优点，受到越来越多的关注与研究。尤其是基于金属cs以及卤化铅的全无机钙钛矿因为其优异的热稳定性以及超低的成本和其简单的制备工艺等诸多有点受到国内外科研工作者越来越多的青睐。
3.在诸多中无机钙钛矿材料中，cspbbr3由于其超高的禁带宽度(>2.3ev)，所以有着最优异的稳定性而备受关注。但目前cspbbr3的光电转换效率仍然较低，导致现有无机cspbbr3太阳能电池的短波段利用率较低，从而使得无机cspbbr3太阳能电池的光电转换效率低。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明实施例提供了一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池，其特征在于，包括透明衬底以及依次层叠在所述透明衬底上的第一光学耦合层、第一金属透明电极、第一传输层、cspbbr3钙钛矿吸光层、第二传输层、第二金属透明电极和第二光学耦合层。
6.在本发明的一个实施例中，所述透明衬底的透光率大于等于80％，所述透明衬底的材料包括玻璃、双抛蓝宝石、pet柔性材料中的任一种。
7.在本发明的一个实施例中，所述第一光学耦合层和所述第二光学耦合层的折射率均大于或等于2，材料均包括moo3、v2o5、teo2、al2o3、lif、mgf2、sio2中的任一种，厚度均为25～35nm。
8.在本发明的一个实施例中，所述第一金属透明电极和所述第二金属透明电极的透光率均大于或等于80％，厚度均为9～12nm，所述第一金属透明电极和所述第二金属透明电极的材料均包括au、ag中的任一种。
9.在本发明的一个实施例中，所述第一传输层包括电子传输层、空穴传输层中的任一种，所述第二传输层包括电子传输层、空穴传输层中的另一种。
10.在本发明的一个实施例中，所述电子传输层的材料采用n型半导体材料，所述n型半导体材料包括tio2、sno2、zno、pcbm中的任一种；
11.所述空穴传输层的材料采用p型半导体材料，所述p型半导体材料包括spiro-ometad、p3ht、pedot：pss、nio
x
中的任一种。
12.本发明的另一个实施例提供了一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池的制备方法，包括步骤：
13.s1、利用热蒸发技术在透明衬底上制备第一光学耦合层；
14.s2、利用热蒸发技术在所述第一光学耦合层上制备第一金属透明电极；
15.s3、利用溶液旋涂法在所述第一金属透明电极上淀积形成第一传输层；
16.s4、利用两步溶液旋涂法在所述第一传输层上生成cspbbr3钙钛矿吸光层；
17.s5、利用溶液旋涂法在所述cspbbr3钙钛矿吸光层上淀积形成第二传输层；
18.s6、利用热蒸发技术在所述第二传输层上制备第二金属透明电极；
19.s7、利用热蒸发技术在所述第二金属透明电极上制备第二光学耦合层。
20.在本发明的一个实施例中，所述第一光学耦合层和所述第二光学耦合层的制备条件均为：生长温度为600℃，生长压力为1e-4pa，生长速率为
21.在本发明的一个实施例中，所述第一金属透明电极和所述第二金属透明电极的制备条件均为：生长压力为1e-4pa，生长速率为
22.在本发明的一个实施例中，步骤s4包括：
23.在所述第一传输层上以2000rpm的转速旋涂钙钛矿前驱体溶液，旋涂时间为30s，然后90℃退火30min，制备得到钙钛矿前驱体层；
24.在所述钙钛矿前驱体层上以2000rpm的转速旋涂csbr溶液，旋涂时间为30s，然后在250℃退火5min，形成钙钛矿层；
25.利用异丙醇溶液在2000rpm的转速下冲洗所述钙钛矿层，旋转时间为30s，然后在250℃退火5min，形成所述cspbbr3钙钛矿吸光层。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果：
27.1、本发明的钙钛矿太阳电池的电极采用全金属透明电极且电池为双面无机半透明太阳电池，提升了太阳光谱短波段光的利用效率，能够提升光电转换效率，可用于高效、低成本光伏发电以及用作硅叠层电池的顶电池来提高硅太阳电池的发电效率。
28.2、本发明的钙钛矿太阳电池使用全金属电极，可以避免采用ito、fto等成本较高、工艺复杂的透明氧化物电极，成本较低，制备工艺简单。
附图说明
29.图1为本发明实施例提供的一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池的结构示意图；
30.图2为本发明实施例提供的一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池的制备方法的流程示意图；
31.图3为本发明实施例提供的另一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池的结构示意图；
32.图4为本发明实施例提供的又一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
34.实施例一
35.本发明基于cspbbr3钙钛矿材料而制备一种新型的双面半透明cspbbr3钙钛矿电池，寄希望于可以提高原本cspbbr3的光利用效率继而增大其光电转换效率(power conversion efficiency，pce)，同时还可用于硅叠层电池的制备以提高硅电池光转换效率。
36.本实施例中，双面半透明cspbbr3钙钛矿太阳电池制备的核心难点在于其透明电极的制备以及cspbbr3钙钛矿薄膜的制备。对于透明电极，目前ito、fto等透明导电氧化物的成本过高，并且制备工艺条件苛刻；而对于cspbbr3钙钛矿薄膜，由于csbr的低溶解度导致无法制备一步溶液法所需要的前驱体溶液，以至于只能更换溶剂或者使用多步法进行制备薄膜。因此，本实施例采用贵金属超薄透明薄膜来作为透明电极，并且采用两步法+水溶液的方法制备cspbbr3钙钛矿薄膜。
37.请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池的结构示意图。该双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池包括：透明衬底1、以及依次层叠在透明衬底1上的第一光学耦合层2、第一金属透明电极3、第一传输层4、cspbbr3钙钛矿吸光层5、第二传输层6、第二金属透明电极7和第二光学耦合层8。
38.透明衬底1应采用高透光材料，其透光率应大于等于80％，其材料可以采用玻璃、双抛蓝宝石以及pet柔性材料中的任一种。
39.第一光学耦合层2和第二光学耦合层8可以均采用高折射率介质减反层材料，其折射率应大于等于2，其材料可以采用moo3、v2o5、teo2、al2o3、lif、mgf2、sio2中的任一种，其厚度可以为25～35nm。
40.本实施例中，光学耦合层采用高折射率介质减反层，可以降低表面反射、提高金属电极透光率。
41.第一金属透明电极3和第二金属透明电极7可以利用金属特有的超低电阻以及其在短波段的高透光率，使用超薄金属薄膜，其透光率大于等于80％，其厚度为9～12nm。其中，短波段是指350～550nm的波段。
42.可以理解的是，本实施例的太阳电池采用两面金属电极，金属的透光率在80％以上均可以实现透明电极；例如，第一金属透明电极3和第二金属透明电极7的材料采用高透光的au、ag中的任一种。进一步的，当金属透明电极采用ag时，其方块电阻均为17～18ω/sq，从而实现电极的超低电阻。
43.本实施例中的电极采用全金属电极，可以避免采用ito、fto等成本较高、工艺复杂的透明氧化物电极，成本较低，制备工艺简单。
44.第一传输层4与第二传输层6所传输的电子类型相反；例如，当第一传输层4为电子传输层时，在第二传输层6为空穴传输层；当第一传输层4为空穴传输层时，则第二传输层6为电子传输层。
45.具体的，电子传输层可以使用n型半导体材料，如氧化钛(tio2)、氧化锡(sno2)、氧化锌(zno)等金属氧化物，或者富勒烯(pcbm)等有机物。空穴传输层可以使用p型半导体材
料，如2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-ometad)、3-己基噻吩(p3ht)、聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)(pedot：pss)等有机材料，或者氧化镍(nio
x
)等无机材料。
[0046]
本实施例中，cspbbr3钙钛矿吸光层5的禁带宽度eg>2.3ev。
[0047]
本实施例双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池可以满足光从任一面照射，同时采用全金属透明电极，从而提高了太阳光谱短波段光的利用率，进而提升光电转换效率，从而可用于高效、低成本光伏发电以及用作硅叠层电池的顶电池来提高硅太阳电池的发电效率。
[0048]
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池的制备方法的流程示意图。该制备方法包括步骤：
[0049]
s1、利用热蒸发技术在透明衬底1上制备第一光学耦合层2。
[0050]
s2、利用热蒸发技术在第一光学耦合层2上制备第一金属透明电极3；
[0051]
s3、利用溶液旋涂法在第一金属透明电极3上淀积形成第一传输层4；
[0052]
s4、利用两步溶液旋涂法在第一传输层4上生成cspbbr3钙钛矿吸光层5；
[0053]
s5、利用溶液旋涂法在cspbbr3钙钛矿吸光层5上淀积形成第二传输层6；
[0054]
s6、利用热蒸发技术在第二传输层6上制备第二金属透明电极7；
[0055]
s7、利用热蒸发技术在第二金属透明电极7上制备第二光学耦合层8。
[0056]
具体的，第一光学耦合层2和所述第二光学耦合层8的制备条件均为：生长温度为600℃，生长压力为1e-4pa，生长速率为
[0057]
具体的，第一金属透明电极3和第二金属透明电极7的制备条件均为：生长压力为1e-4pa，生长速率为
[0058]
具体的，步骤s4包括：
[0059]
首先，在第一传输层4上以2000rpm的转速旋涂钙钛矿前驱体溶液，旋涂时间为30s，然后在90℃退火30min，制备得到钙钛矿前驱体层；接着，在钙钛矿前驱体层上以2000rpm的转速旋涂csbr溶液，旋涂时间为30s，然后在250℃退火5min，形成钙钛矿层；最后，利用异丙醇溶液在2000rpm的转速下冲洗钙钛矿层，旋转时间为30s，然后在250℃退火5min，形成cspbbr3钙钛矿吸光层5。
[0060]
本实施例的电池采用全金属电极，可以避免采用ito、fto等成本较高、工艺复杂的透明氧化物电极，成本较低，制备工艺简单。本实施例在全金属电极的两侧制备光学耦合层，可以降低表面反射，提高金属电极透光率，提高太阳光利用率。本实施例的双面太阳电池可以满足光从任一面照射，提高太阳光利用率，提升光电转换效率。
[0061]
实施例二
[0062]
在实施例一的基础上，请参见图2和图3，图3为本发明实施例提供的另一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池的结构示意图。该电池其自下而上包括透明衬底31、第一光学耦合层32、第一金属透明电极33、n型电子传输层34、cspbbr3钙钛矿吸光层35、p型空穴传输层36、第二金属透明电极37、第二光学耦合层38。
[0063]
其中，透明衬底31采用透明电子钠钙玻璃衬底，第一光学耦合层32采用teo2，第一金属透明电极33采用ag或者au，n型电子传输层34采用氧化钛(tio2)或氧化锡(sno2)，p型空穴传输层36采用spiro-ometad，第二金属透明电极37采用ag或者au，第二光学耦合层38采
用teo2。
[0064]
该电池的制备方法包括步骤：
[0065]
s1、利用热蒸发技术在透明衬底31上制备第一光学耦合层32。
[0066]
首先，将透明电子钠钙玻璃衬底先后用去污剂、去离子水、丙酮以及无水乙醇分别超声清洗15分钟，然后用氮气流风干。
[0067]
接着，在已经清洗好的透明电子钠钙玻璃衬底上以热蒸发技术生长一层30nm的teo2，制备条件为：生长温度为600℃，生长压力为1e-4pa，生长速率为从而制得减反层(即第一光学耦合层32)。
[0068]
s2、利用热蒸发技术在第一光学耦合层32上制备第一金属透明电极33。
[0069]
在已经制备好减反层的衬底上继续以热蒸发技术生长一层9nm的ag或au，制备条件为：生长压力为1e-4pa，生长速率为从而获得第一金属透明电极33。
[0070]
s3、利用溶液旋涂法在第一金属透明电极33上淀积形成n型电子传输层34。
[0071]
将已经制备好第一金属透明电极33的衬底用紫外线-臭氧(uv-ozone)处理15分钟，将氧化锡溶液用去离子水以1:3的比例稀释备用；将稀释完毕的氧化锡溶液以3000rpm的转速旋涂在金属电极上，旋涂时间为30s，然后150℃退火30分钟，结晶成膜，形成n型电子传输层34。
[0072]
s4、利用两步溶液旋涂法在形成n型电子传输层34上生成cspbbr3钙钛矿吸光层35。
[0073]
在已经制备好形成n型电子传输层34的衬底上继续以2000rpm的转速旋涂钙钛矿前驱体溶液(pbbr2的dmf溶液，dmf：二甲基甲酰胺)，旋涂30s，然后90℃退火30min，制备得到钙钛矿前驱体层。接着在钙钛矿前驱体层上以2000rpm的转速旋涂csbr水溶液，旋涂时间为30s，然后250℃退火5min，形成钙钛矿层。最后利用异丙醇溶液在2000rpm的转速下冲洗钙钛矿层，旋转时间为30s，然后在250℃退火5min，使钙钛矿膜结晶，形成cspbbr3钙钛矿吸光层35。
[0074]
s5、利用溶液旋涂法在cspbbr3钙钛矿吸光层35上淀积形成p型空穴传输层36。
[0075]
将已经配好的spiro-ometad溶液先以1000rpm转速、旋涂时间为5s的条件、再以4000rpm转速、旋涂时间为40s的条件旋涂在已经制备好的cspbbr3钙钛矿吸光层35上，在干燥的氮气氛围中阴干静置两分钟，然后使其氧化一天，形成p型空穴传输层36。
[0076]
s6、利用热蒸发技术在p型空穴传输层36上制备第二金属透明电极37。
[0077]
在已经制备好p型空穴传输层36的衬底上继续以热蒸发技术生长一层9nm的ag或au，制备条件为：生长压力为1e-4pa，生长速率为从而获得第二金属透明电极37。
[0078]
s7、利用热蒸发技术在第二金属透明电极37上制备第二光学耦合层38。
[0079]
在已经制备好第二金属透明电极37的衬底上以热蒸发技术生长一层30nm的teo2，制备条件为：生长温度为600℃，生长压力为1e-4pa，生长速率为从而制得减反层(即第二光学耦合层38)。
[0080]
实施例三
[0081]
在实施例一的基础上，请参见图2和图4，图4为本发明实施例提供的又一种双面无机半透明cspbbr3薄膜钙钛矿太阳电池的结构示意图。该电池其自下而上包括透明衬底41、
第一光学耦合层42、第一金属透明电极43、p型空穴传输层44、cspbbr3钙钛矿吸光层45、n型电子传输层46、第二金属透明电极47、第二光学耦合层48。
[0082]
其中，透明衬底41采用透明电子钠钙玻璃衬底，第一光学耦合层42采用teo2，第一金属透明电极43采用ag或者au，p型空穴传输层44采用氧化镍(nio
x
)，n型电子传输层46采用富勒烯衍生物(pcbm)，第二金属透明电极47采用ag或者au，第二光学耦合层48采用teo2。
[0083]
该电池的制备方法包括步骤：
[0084]
s1、利用热蒸发技术在透明衬底41上制备第一光学耦合层42。
[0085]
首先，将透明电子钠钙玻璃衬底先后用去污剂、去离子水、丙酮以及无水乙醇分别超声清洗15分钟，然后用氮气流风干。
[0086]
接着，在已经清洗好的透明电子钠钙玻璃衬底上以热蒸发技术生长一层30nm的teo2，制备条件为：生长温度为600℃，生长压力为1e-4pa，生长速率为从而制得减反层(即第一光学耦合层42)。
[0087]
s2、利用热蒸发技术在第一光学耦合层42上制备第一金属透明电极43。
[0088]
在已经制备好减反层的衬底上继续以热蒸发技术生长一层9nm的ag或au，制备条件为：生长压力为1e-4pa，生长速率为从而获得第一金属透明电极43。
[0089]
s3、利用溶液旋涂法在第一金属透明电极43上淀积形成p型空穴传输层44。
[0090]
将已经制备好第一金属透明电极43的衬底用紫外线-臭氧(uv-ozone)处理15分钟，将提前制备好的氧化镍溶液以3000rpm的转速旋涂在金属电极上，旋涂时间为30s，然后250℃退火45分钟，结晶成膜，形成p型空穴传输层44。
[0091]
s4、利用两步溶液旋涂法在形成p型空穴传输层44上生成cspbbr3钙钛矿吸光层45。
[0092]
在已经制备好形成p型空穴传输层44的衬底上继续以2000rpm的转速旋涂钙钛矿前驱体溶液(pbbr2的dmf溶液)，旋涂30s，然后90℃退火30min，制备得到钙钛矿前驱体层。接着在钙钛矿前驱体层上以2000rpm的转速旋涂csbr水溶液，旋涂时间为30s，然后250℃退火5min，形成钙钛矿层。最后利用异丙醇溶液在2000rpm的转速下冲洗钙钛矿层，旋转时间为30s，然后在250℃退火5min，使钙钛矿膜结晶，形成cspbbr3钙钛矿吸光层45。
[0093]
s5、利用溶液旋涂法在cspbbr3钙钛矿吸光层45上淀积形成n型电子传输层46。
[0094]
将已经配好的pcbm溶液以2000rpm的速度旋涂在已经制备好cspbbr3钙钛矿吸光层45的衬底上，旋涂时间为30s，在干燥的氮气氛围中阴干静置两分钟，得到n型电子传输层46。
[0095]
s6、利用热蒸发技术在n型电子传输层46上制备第二金属透明电极47。
[0096]
在已经制备好n型电子传输层46的衬底上继续以热蒸发技术生长一层9nm的ag或au，制备条件为：生长压力为1e-4pa，生长速率为从而获得第二金属透明电极47。
[0097]
s7、利用热蒸发技术在第二金属透明电极47上制备第二光学耦合层48。
[0098]
在已经制备好第二金属透明电极47的衬底上以热蒸发技术生长一层30nm的teo2，制备条件为：生长温度为600℃，生长压力为1e-4pa，生长速率为从而制得减反层(即第二光学耦合层48)。
[0099]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定
本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。