基于无掺杂有机空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及制备方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种基于无掺杂有机空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及制备方法。
【【背景技术】】
[0002]当前，随着工业和信息技术的持续革新，人类社会对能源的需求和消耗日渐增加，快速增长的能源需求加速了煤、石油等传统能源的耗竭，造成严重的环境污染。因此，开发利用多元化，清洁化的可再生能源是世界各国面临能源危机和环境污染时的共同选择。作为世界上最丰富的能量资源，太阳能以清洁、可再生以及取之不尽用之不竭的优势成为了新能源中的焦点。太阳能电池作为一种光电转换器件，其研究与应用已经受到越来越多的重视，如何实现廉价、高效的太阳能发电是人类不断追求的目标。与成本高昂的硅基太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池采用甲胺铅卤素钙钛矿材料CH3NH3PbX3 (X = Br，I)作为光活性层，具有光吸收系数大、转换效率高、成本低等优势，近年来迅速已发展成为新兴光伏技术的前沿，光电转化效率已突破20%，有望成为新一代最具市场潜力的高效率、低成本太阳能电池。
[0003]在钙钛矿太阳能电池中，空穴传输层的使用能有效地阻挡电子，增加阳极对空穴的收集，提高空穴在器件中的传输效率。然而目前在钙钛矿太阳能电池中应用最广的空穴传输材料Spiro-OMeTAD合成复杂，成本高，且载流子迀移率(约10—tn^V—h—1)和电导率(约10—5S cm2)较低，在制备电池器件时通常需要掺入诸如双三氟甲基磺酰亚胺锂L1-TFSI的P-型离子添加剂来生成自由载流子，提高其电导率，从而获得较高的太阳能电池能量转化效率。但是此类掺杂剂具有很强的亲水性，其暴露在湿度较大的环境中容易潮解，其中的水分子会破坏钙钛矿光活性层的晶格结构，从而降低了器件的稳定性，影响电池寿命。同时离子添加剂的使用增加了器件制作的成本和工艺的复杂性，这严重制约了钙钛矿太阳能电池商业化生产的实现，是目前钙钛矿太阳能电池领域面临的一个重要难题。
[0004]四苯基乙烯具有独特的螺旋桨状分子构型，当引入具有良好空穴传输性能的苯胺基团，可以获得具有高载流子迀移率的有机半导体材料。有文献报道化合物2TPATPE的薄膜场效应器件的迀移率可达2.6 X 10—3cm2V—1，远远大于Spiro-OMeTAD，表明该化合物具有较好的载流子传输性能。在电致发光器件中，它可以同时作为发光层和空穴传输层，不但简化了器件结构，而且获得了高的亮度输出，说明化合物2TPATPE应用于光电器件中具有良好的成膜性和光电特性。另外，该化合物只需要简单的两步合成法就能得到，成本低且产率高，在400?800nm范围内有超过85 %的高透光率，通过旋涂法就能获得高质量的薄膜，可以实现大面积薄膜制备。此外，该化合物还具有与CH3NH3PbI3钙钛矿材料相匹配的HOMO能级，其非共面的分子构型可以抑制钙钛矿活性层与空穴传输层的紧密接触，降低界面处电荷复合几率，目前还没有将该化合物用于钙钛矿太阳能电池的报道，因此其器件结构和制备技术是相对缺失的。【
【发明内容】
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[0005]本发明的目的在于克服目前钙钛矿太阳能电池所用空穴传输材料的不足，提供一种基于无掺杂有机空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及制备方法，在提高钙钛矿太阳能电池能量转化效率的同时，改善钙钛矿太阳能电池的稳定性，简化制作工艺，降低成本。
[0006]为了达到上述目的，基于无掺杂有机空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，包括自下而上依次设置的衬底、阴极、电子传输层、光活性层、空穴传输层和阳极，空穴传输层采用四苯基乙烯衍生物2TPATPE。
[0007]所述衬底采用石英或玻璃，光从衬底一侧进入器件中。
[0008]所述电子传输层的厚度为80?lOOnm，光活性层的厚度为150?300nm，空穴传输层的厚度为100?300nmo
[0009]基于无掺杂有机空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤:
[0010]步骤一，将带有氟掺杂氧化锡FT0阴极的玻璃基片清洗干净后用氮气枪吹干；
[0011]步骤二，在吹干后的玻璃基片上淀积致密二氧化钛C-Ti02电子传输层；
[0012]步骤三，在二氧化钛c-Ti02电子传输层上涂覆CH3NH3PbI3的前驱体溶液形成CH3NH3PbI3光活性层；
[0013]步骤四，对CH3NH3PbI3光活性层进行退火；
[0014]步骤五，在退火后的CH3NH3PbI3光活性层上淀积2TPATPE空穴传输层；
[0015]步骤六，在2TPATPE空穴传输层上淀积Ag金属阳极，完成钙钛矿太阳能电池的制作。
[0016]所述步骤二中，淀积致密二氧化钛c-Ti02电子传输层包括以下步骤:
[0017]第一步，将75%质量分数的二乙酰丙酮基钛酸二异丙酯TiAc溶液用1-丁醇进行稀释，对稀释后的溶液超声处理10?20min获得浓度为0.15moVL和0.3mol/L的C-Ti02前驱体溶液；
[0018]第二步，将c-Ti02前驱体溶液旋涂在氟掺杂氧化锡FT0阴极玻璃基片上，并在温度为100?500°C的热台上退火5?20min，形成C-Ti02电子传输层。
[0019]所述第二步中，c-Ti02前驱体溶液旋涂在氟掺杂氧化锡FT0阴极玻璃基片包括先在清洗后的衬底基片上第一次旋涂浓度为0.15mol/L的c-Ti02前驱体溶液，旋涂转速为5000r/min，旋涂时间为55s，并在温度为150°C的热台上退火5min;
[0020]再在旋涂过浓度为0.15mol/L的c-Ti02前驱体溶液的基片上第二次旋涂浓度为0.3mol/L的c-Ti02前驱体溶液，旋涂转速为4000?2000r/min，旋涂时间为40s，并在温度为500°C的热台上退火15min，形成c-Ti02电子传输层。
[0021 ] 所述步骤三中，涂覆CH3NH3PbI3前驱体溶液包括以下步骤:
[0022]第一步，根据体积比为3:7混合二甲基亚砜与γ-丁内酯，得到混合液；
[0023]第二步，将CH3NH3I溶解到混合液中，得到1.2mol/L的CH3NH3I溶液；
[0024]第三步，将Pbl2加入到1.2mol/L的CH3NH3I溶液中，得到浓度为1.2mol/L的CH3NH3PbI3的前驱体溶液；
[0025]第四步，将CH3NH3PbI3前驱体溶液旋涂在c-Ti02电子传输层上，旋涂环境为氮气气氛，旋涂时间为30?90s，旋涂转速为2000?6000r/min。
[0026]所述步骤四中，退火在氮气气氛下，温度为100°C的热台上退火20min。
[0027]所述步骤五中，淀积2TPATPE空穴传输层包括以下步骤:
[0028]第一步，将2TPATPE溶解在氯苯或氯仿中，得到浓度为90mg/mL的2TPATPE氯苯或氯仿溶液；
[0029]第二步，将2TPATPE氯苯或氯仿溶液旋涂在CH3NH3PbI3光活性层上，形成2TPATPE空穴传输层，旋涂时的转速为2000?5000r/min，旋涂的时间为20?60s。
[0030]所述步骤六中，淀积Ag金属阳极的方法为，将步骤五所得到的玻璃基片转入到金属蒸镀室中，在真空度小于5 X 10—4Pa，电流40A的条件下热蒸发厚度为lOOnm的Ag。
[0031]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0032]1、提尚了 f丐钦矿太阳能电池的性能和稳定性；
[0033 ]本发明利用化合物2TPATPE作为钙钛矿太阳能电池的空穴传输层，该材料具有高透光率和较好的成膜性，其螺旋桨状的分子构型可以有效抑制光活性层与空穴传输层间的紧密接触，降低界面处电荷复合的发生几率，从而提高钙钛矿太阳能电池的开路电压、电路电流密度和填充因子，最终实现钙钛矿太阳能电池的高能量转换效率，此外，该化合物较高的迀移率使我们可以不用通过掺杂离子添加剂就能获得具有高空穴迀移率的空穴传输层，在保证材料空穴传输性能的同时避免了由离子添加剂的亲水性引起的器件寿命问题，提高器件的稳定性；
[0034]2、降低了钙钛矿太阳能电池的成本；
[0035]本发明使用旋涂化合物2TPATPE溶液的方法来制备空穴传输层，其操作简单，可以实现大面积薄膜制备；同时化合物2TPATPE只需要两步合成法就能得到，成本低廉，产率高且性质稳定，利于降低钙钛矿太阳能电池的成本；
[0036]相比其他空穴传输材料，本发明利用具有高迀移率的四苯基乙烯化合物2TPATPE作为空穴传输层制备的钙钛矿太阳能电池具有更好的性能。
【【附图说明】】
[0037]图1是本发明所采用空穴传输材料2TPATPE的分子结构图；