钙钛矿太阳能电池及其制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种钙钛矿太阳能电池(PSC，Perovskite Solar Cells)及其制备工艺。
【背景技术】
[0002]近年来，钙钛矿太阳能电池作为一类新兴的太阳能电池得到快速发展，其光电转换效率已经超过20%。钙钛矿太阳能电池主要是利用类似ABX3 (A=CH3NH/等；B=Pb 2+，Sn2+等；X=C1，Br，1等)具有钙钛矿结构的光伏材料来实现光电转换，具有原材料来源广泛、制作工艺简单、价格低、可制备成柔性电池等优点。钙钛矿太阳能电池的基本结构包括衬底、透明电极、电子传输材料、I丐钛矿材料吸光层、空穴传输材料和金属电极。I丐钛矿太阳能电池将光能转换成电能可以分为三个主要过程:(1) 一定能量的光子被吸光层吸收并产生电子空穴对；(2)电子空穴对扩散至吸光材料的界面处时发生电荷分离；(3)电子沿电子传输材料经电极进入外电路，空穴沿空穴传输材料经电极进入外电路，通过负载完成光能向电能的转换。
[0003]目前，要制备高转换效率的钙钛矿太阳能电池，主流的制备工艺是采用共蒸发制备吸光层，该制备工艺操作复杂、成本高、生产效率低。在电子传输层制备工艺中，存在需制备介孔状氧化钛层(1102作为电子传输层)或合成纳米颗粒状氧化锌(ZnO)等问题，介孔状T1Jl需进行高温(450°C以上)烧结处理环节，而合成的纳米颗粒状ZnO溶液不能长期存放。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可低温下进行、简化工艺流程、降低成本、提高电池制备效率、实现规模化生产的钙钛矿太阳能电池的制备工艺以及该工艺制备的钙钛矿太阳能电池。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
一种钙钛矿太阳能电池，包括依次层叠的衬底、透明电极、空穴传输层、吸光层、电子传输层和顶电极，所述空穴传输层是由空穴传输材料构成，所述电子传输层是由电子传输材料构成，所述吸光层是由具有钙钛矿结构的光伏材料构成，所述空穴传输层、吸光层和电子传输层均采用溶液法于150°C以下(即< 150°C，优选60°C?150°C )的低温制备得到。
[0006]上述的I丐钛矿太阳能电池中，优选的，所述空穴传输层的厚度为5nm?60nm ;所述吸光层的厚度为10nm?500nm ;所述电子传输层的厚度为1nm?10nm ;所述顶电极的厚度为 20nm ?lOOnm。
[0007]上述的钙钛矿太阳能电池中，优选的，所述空穴传输材料为有机材料和/或无机材料，所述有机材料包括PEDOT: PSS或Spiro-MeOTAD，所述无机材料包括N1x、MoOxSV2O5;所述具有钙钛矿结构的光伏材料为ABX 3型晶体结构的有机无机杂化钙钛矿；所述电子传输材料为富勒烯衍生物，所述富勒烯衍生物为PCBM。
[0008]上述的钙钛矿太阳能电池中，优选的，所述衬底的构成材料包括玻璃或柔性塑料；所述透明电极的构成材料包括铟锡氧化物或氟锡氧化物；所述顶电极的构成材料为金属材料，所述金属材料包括金、银、铜或招。
[0009]作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的钙钛矿太阳能电池的制备工艺，包括在所述衬底上依次制备透明电极、空穴传输层、吸光层、电子传输层和顶电极，所述空穴传输层、吸光层和电子传输层均采用溶液法于150°C以下(即< 150°C，优选60°C?150°C)的低温制备得到。
[0010]上述的钙钛矿太阳能电池的制备工艺中，优选的，所述空穴传输层的制备过程为:在所述透明电极上涂布用于制备空穴传输材料的溶液，然后在100°C?150°C的温度下进行加热，得到空穴传输层；
所述吸光层的制备过程为:先在所述空穴传输层上涂布卤化铅溶液，于70°C?120°C烘干，然后置于CH3NH3I溶液中浸泡，当衬底颜色变为棕黑色时，取出并清洗，再于60°C?120°C下进行加热，得到吸光层；
所述电子传输层的制备过程为:在所述吸光层上涂布用于制备电子传输材料的溶液，然后在60°C?120°C的温度下进行加热，得到电子传输层。
[0011 ] 上述的钙钛矿太阳能电池的制备工艺中，优选的，所述空穴传输层的制备过程中，加热时间为5min?30min ;所述吸光层的制备过程中，加热时间为5min?20min ;所述电子传输层的制备过程中，加热时间为5min?20min ;所述空穴传输层、吸光层和电子传输层的制备过程均在空气环境下进行。
[0012]上述的钙钛矿太阳能电池的制备工艺中，优选的，所述空穴传输材料为PEDOT: PSS时，所述用于制备空穴传输材料的溶液为PEDOT: PSS的水溶液，溶液中PEDOT: PSS的质量分数为1%?5% ;所述空穴传输材料为Spiro-MeOTAD时，所述用于制备空穴传输材料的溶液为Spiro-MeOTAD的氯苯/乙腈溶液，溶液中Spiro-MeOTAD的质量分数为10%?50% ;所述空穴传输材料为N1Jt，所述用于制备空穴传输材料的溶液为四水醋酸镍的乙醇/乙醇胺溶液(溶剂中每升乙醇添加0.1摩尔乙醇胺)，溶液中醋酸镍的质量分数为5%?40%。
[0013]上述的钙钛矿太阳能电池的制备工艺中，优选的，所述吸光层的制备过程中:所述卤化铅溶液为PbI2溶液时，所述PbI 2溶液的浓度为lmol/L?5mol/L，溶剂为N，N- 二甲基甲酰胺；所述CH3NH3I溶液的浓度为10mg/mL?20mg/mL，溶剂为异丙醇；所述浸泡的时间为30s ?60so
[0014]上述的钙钛矿太阳能电池的制备工艺中，优选的，所述电子传输材料为PCBM时，所述用于制备电子传输材料的溶液为PCBM的氯苯溶液，溶液中PCBM的质量分数为1%?
5% ο
[0015]本发明的钙钛矿太阳能电池中，衬底材料优选玻璃、柔性塑料(PEN，PET )等透明材料。透明电极的材料优选铟锡氧化物(ITO，Indium Tin Oxide)、氟锡氧化物(FTO，FluorineDoped Tin Oxide)等透明电极材料。常采用ITO导电玻璃、FTO导电玻璃或带ITO的PEN塑料薄膜作为衬底和透明电极，其方块电阻是10?50 Ω / 口，透过率在80%?90%。
[0016]本发明的钙钛矿太阳能电池中，空穴传输材料一般为具有较高空穴迀移率的材料，空穴传输层主要是将空穴传输至顶电极。
[0017]本发明的钙钛矿太阳能电池中，吸光层采用具有钙钛矿晶体结构的材料制备，其作用是吸收入射光。单纯的吸光层由钙钛矿材料的晶粒构成，钙钛矿材料主要有类似ABX3(A=CH3NH3, ；B=Pb 2+，Sn2+等；X=C1，Br，I等)型晶体结构的有机无机杂化钙钛矿。
[0018]本发明的钙钛矿太阳能电池中，电子传输层主要起到传输电子的作用，同时防止电极与吸光层直接接触。电子传输材料采用的PCBM主要为PCmBM或PC7(]BM。
[0019]本发明的钙钛矿太阳能电池中，顶电极可以采用真空镀膜、等离子体喷涂、溅射、喷墨打印以及溶液成膜等方法制作。
[0020]与现有技术相比，本发明的优点在于:
本发明的钙钛矿太阳能电池是采用溶液法低温制备得到，可批量生产。目前钙钛矿电池的主流制备工艺是采用共蒸发法制备吸光层，该制备工艺操作复杂、成本高、生产效率低，同时电子传输层通常采用需高温(450°C)烧结处理的介孔状T1Jl，或更为复杂的等离子体化学气相沉积方法。本发明的制备工艺中，空穴传输层、钙钛矿材料吸光层和电子传输层均可在低温的空气环境下通过溶液法制备，避免了采用共蒸发法制备吸光层，有利于简化工艺流程，降低成本，提高电池的制备效率，实现规模化生产。
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例中钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
[0022]图2为本发明实施例1中在暗态和AMl.5光照下钙钛矿太阳能电池的伏安特性曲线，其中:空心圆点曲线为电池的暗态伏安特性曲线，实心圆点曲线为AMl.5光照伏安特性曲线。
[0023]图例说明:
1、衬底；2、透明电极；3、空穴传输层；4、吸光层；5、电子传输层；6、顶电极。
【具体实施方式】
[0024]以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0025]以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
[0026]实施例1:
一种本发明的钙钛矿太阳能电池，如图1所示(由上至下观察)，包括依次层叠的衬底1、透明电极2、空穴传输层3、吸光层4、电子传输层5和顶电极6，吸光层4是由具有I丐钛矿结构的光伏材料构成，空穴传输层3是由空穴传输材料构成，电子传输层5是由电子传输材料构成。
[0027]本实施例中，衬底I采用玻璃衬底，厚度为1.1mm ;透明电极2采用透明ITO电极，厚度为80nm ;空穴传输层3采用PEDOT: PSS材料，厚度为40nm ;吸光层4采用CH3NH3PbI3钙钛矿材料，厚度为350nm ;电子传输层5采用PC6qBM材料，厚度为1nm ;顶电极6采用铝电极，厚度为lOOnm。
[0028]—种上述本实施例的钙钛矿太阳能电池的制备工艺，包括以下步骤:
Cl)选择方阻为15 Ω/ □、透过率为85%的ITO玻璃作为带有ITO透明电极的玻璃衬底，透明电极2为正极； (2)采用溶液旋涂的方法在ITO玻璃上涂布质量分数为5%的PEDOT: PSS水溶液(PEDOT: PSS水溶液为德国拜尔的clev1s p型产品)，在加热台上150°C低温处理30min，得到厚度为40nm的PEDOT: PSS致密薄膜作为空穴传输层3 ;
(3)在空穴传输层3表面旋涂PbI2溶液，PbI2溶液的浓度为lmol/L，溶剂为N，N- 二甲基甲酰