有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钙钛矿基薄膜太阳能电池技术领域，特别是一种有机无机杂化钙钛矿 基太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池近年来展现出优异的光电性能和巨大的潜 力。随着钙钛矿太阳电池技术的发展，基于这种吸光材料的电池器件光电转换效率高达 19. 3%〇
[0003] 钙钛矿吸光层结晶质量及其与电极修饰层间的界面控制对电池的光电性能至关 重要，直接影响着电池的转换效率和稳定性。钙钛矿吸光层制备方法主要有液相法、气相辅 助液相法、气相共蒸发沉积法等。液相法无需高温高真空制程、工艺简单、适合大面积工业 化生产，是目前制备钙钛矿吸光层的主要方法。
[0004] 现有钙钛矿基太阳能电池结构中，钙钛矿吸光层一般通过液相法直接沉积在电极 修饰层表面（如TiO 2、ZnO、PEDOT: PSS等表面），由于Pb 12和CH 3NH3I在涂布过程中快速自组 装成纳米级钙钛矿微小晶粒，钙钛矿晶粒成核和膜层生长方向难以控制，成膜后晶体中缺 陷较多、规整度差，难以形成均匀致密的钙钛矿薄膜，降低了载流子的扩散长度，电子-空 穴对复合严重。液相法受到前驱体溶液组份配比、浓度、溶剂以及旋涂转速等多种因素影 响，结晶质量难以控制，结晶后薄膜形貌各异，高效电池器件制备可重现性较差，极大的限 制了钙钛矿基太阳能电池产业化过程。
【发明内容】
[0005] 本发明要求解决的技术问题是针对上述存在的问题和不足，提供设置超薄定向层 的有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池。
[0006] 本发明解决的另一技术问题是提供这种有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池的制 备方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0008] 一种有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池，包括衬底和依次层叠于该衬底上的透明 电极、电子传输层、超薄定向层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和对电极。
[0009] 一种有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池，包括衬底和依次层叠于该衬底上的透明 电极、空穴传输层、超薄定向层、钙钛矿吸光层、电子传输层和对电极。
[0010] 上述有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池，所述超薄定向层由空腔内径能与铅离 子络合的环状分子构成，所述环状分子选自单苯并15-冠-5、苯乙烯基15-冠-5、二苯并 15-冠-5、二苯并18-冠-6、N，N-二甲基腈乙基二氮杂-18-冠-6、四苯基卟啉、四（2-羟 基-1-萘基）卟啉、四（2-甲氧基-1-萘基）卟啉、四-对叔丁基杯[4]芳烃、四-对叔丁 基[6]杯芳烃、四偶氮苯甲酸基杯[4]芳烃、四酰胺基取代杯[4]芳烃、二溴二丙氧基杯[4] 芳烃、β-环糊精及其衍生物中的一种。
[0011] 上述有机无机杂化妈钛矿基太阳能电池，所述超薄定向层厚度为0. 5-15nm，优选 0.6_10nm〇
[0012] 上述有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池，所述钙钛矿吸光层由化学通式为 ABXmY3_m型晶体结构的一种或多种材料形成，其中A为CH 3順3、切9順3或NH 2= CHNH 2;B为 Pb、Sn ;X，Y为Cl、Br、I ;m为1、2或3,所述的钙钛矿吸光层的厚度为lOO-lOOOnm，优选 150_550nm〇
[0013] 上述有机无机杂化妈钛矿基太阳能电池，所述电子传输层采用Ti02、Sn0 2、ZnO、 PC61BM、PC71BM、Tiro、ICBA或C60-bis中的任意一种半导体材料形成；所述的电子传输层的 厚度为 5_150nm，优选 10_50nm。
[0014] 上述有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池，所述空穴传输层可以采用有机材料或无 机材料形成，所述有机材料选自Spiro-OMeTAD、P3HT、PCPDTBT、PEDOT: PSS、NPB和Tro中的 任意一种；所述无机材料选自&11、(：1150队附0、￥20 5和此03中的任意一种；所述的空穴传输 层的厚度为5_500nm，优选10_150nm 〇
[0015] 上述有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池，所述超薄定向层的涂布液的组成及质量 份数为：
[0016] 环状分子 0. 05-5% ;
[0017] 强极性有机溶剂 95-99.95%。
[0018] 所述环状分子为单苯并15-冠-5、苯乙烯基15-冠-5、二苯并15-冠-5、二苯并 18-冠-6、N，N-二甲基腈乙基二氮杂-18-冠-6、四苯基卟啉、四（2-羟基-1-萘基）卟啉、 四（2-甲氧基-1-萘基）卟啉、四-对叔丁基杯[4]芳烃、四-对叔丁基[6]杯芳烃、四偶 氮苯甲酸基杯[4]芳烃、四酰胺基取代杯[4]芳烃、二溴二丙氧基杯[4]芳烃、β-环糊精 及其衍生物中的一种；
[0019] 强极性有机溶剂为二甲基甲酰胺（DMF)、二甲基亚砜（DMS0)、氯仿、二氯甲烷、 乙腈、吡啶、四氢呋喃、乙二醇中的一种或多种，优选为二甲基甲酰胺（DMF)、二甲基亚砜 (DMSO)〇
[0020] 一种有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池的制备方法，包括：
[0021] 将所述的环状分子材料均匀分散于有机溶剂中，配制成透明均匀的超薄定向层溶 液；
[0022] 将所述溶液通过刮涂法、旋涂法、喷涂法、喷墨打印法或提拉法沉积在电子传输层 或空穴传输层的表面形成一薄膜层；
[0023] 将所述薄膜层在30-150°C下，空气中进行干燥10_120min，形成超薄定向层。
[0024] 一种有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池的制备方法，包括：将所述的环状分子材 料均匀分散于有机溶剂中，配制成透明均匀的超薄定向层溶液；
[0025] 将所述溶液通过刮涂法、旋涂法或喷涂法沉积在电子传输层或空穴传输层的表面 形成一薄膜层；
[0026] 将所述薄膜层在45-120°C下，空气中进行干燥20-90min，形成超薄定向层。
[0027] 与现有直接溶液法制备钙钛矿技术相比，本发明的有益效果表现在：
[0028] (1)本发明通过增设超薄定向层，超薄定向层中环状分子的空腔与铅离子络合作 用，可以使钙钛矿晶体在自组装时定向生长，提高结晶规整度，降低钙钛矿晶体内部缺陷， 形成高结晶性均匀钙钛矿层；有效提高钙钛矿层内部载流子扩散长度，防止电子-空穴对 在钙钛矿层内部及界面的复合，进而显著提高电池的光电转换效率和稳定性。
[0029] (2)本发明的超薄定向层中环状分子可以起到定向模板作用，使钙钛矿吸光层结 晶质量不易受到成膜条件影响，提高器件制备的可重复性。
[0030] (3)本发明适用于各种结构的钙钛矿基太阳能电池制备，使低温溶液法更适合大 面积钙钛矿太阳能电池的工业化生产。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明一种有机无机杂化钙钛矿基太阳电池的结构示意图。
[0032] 图2是本发明另一种太阳电池的结构示意图。
[0033] 图中各标号表不为：1_衬底、2-透明电极、3-电子传输层、4-超薄定向层、5-妈钛 矿吸光层；6-空穴传输层；7-对电极。
【具体实施方式】
[0034] 为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明作进一 步详细说明。此处说明仅限于解释本发明，并不是为了限定本发明的保护范围。
[0035] 图1的结构示意图，包括衬底1，设置在衬底1上的透明电极2,在透明电极2上形 成半导体材料的电子传输层3,在电子传输层3上形成超薄定向层4,在超薄定向层4上形 成的钙钛矿吸光层5,在钙钛矿吸光层5上形成的空穴传输层6,在空穴传输层6上形成的 对电极7。
[0036] 图2的另一种结构示意图，它包括衬底1，设置在衬底1上的透明电极2,在透明电 极2上形成空穴传输层6,在空穴传输层6上形成超薄定向层4,在超薄定向层4上形成的 钙钛矿吸光层5,在钙钛矿吸光层5上形成的电子传输层3,在电子传输层3上形成的对电 极7。
[0037] 图1所示的有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池，在使用液相法制备钙钛