一种低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，特别涉及一种低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池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%。
[0003]基于CH3NH3PbI3的有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池由于迅速提升的效率在世界范围内备受关注。目前有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池目前报道的结构主要是FT0/Ti02/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au，其电池效率现已达到20.1%;但这种结构，主要存在以下缺点:T12致密层的制备需要在450°C的高温下进行烧结，CH3NH3PbI3层的制备也需要在加热的条件下缓慢结晶，这些加热的过程都不利于将性能优异的CH3NH3PbI3材料应用在很多不能加热的基底上，如高分子薄膜等。
[0004]因此，研发一种能将性能优异的CH3NH3PbI3材料在无需加热的条件下迅速结晶生成，且能大幅度降低钙钛矿电池制备温度的低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法是非常有必要的。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种能能将性能优异的CH3NH3PbI3材料在无需加热的条件下迅速结晶生成，且能大幅度降低钙钛矿电池制备温度的低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的技术方案为:一种低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法，其创新点在于:所述方法具体步骤如下:
(1)制备致密层:在沉积了掺氟氧化锡玻璃衬底上，用原子层沉积技术在70°C下生长30nm厚的致密的ZnO层；
(2)制备钙钛矿层:在充满氩气的手套箱中，将摩尔质量比为3:1的CH3NH3I和PbCI2及含量为38^%的丁内酯和二甲基亚砜的混合溶液通过两个连续不断的旋涂过程旋涂到ZnO致密层上;在第二阶段过程中，将Iml的甲苯逐滴滴到基底上，随后放置1min;
(3)制备空穴传输层:将事先配好的Spiro-OMeTADHTM溶液旋涂到钙钛矿层，通过控制匀胶机的旋速与HTM的滴加量，将HTM层控制在10nm左右;然后70°C的环境中烘1min后，放在无水有氧的环境中过夜氧化；
(4)制备金属电极层:将过夜氧化后的基底，迅速放到真空镀膜仪中，腔室真空度达到10—4pa后，将电极加热电流调为50A，在上述样品上热蒸发沉积120nm厚的Ag层。
[0007]进一步地，所述步骤(I)中掺氟氧化锡玻璃衬底采用的是方块电阻为10-15欧姆，透过率在80-85%的掺氟氧化锡玻璃。
[0008]进一步地，所述步骤(2)中含量为38wt%的丁内酯与二甲基亚砜的体积比为7:3。
[0009]进一步地，所述步骤(2)旋涂过程，前期旋涂速度为1000r/min，旋转时间为90s;后期旋涂速度为5000r/min，旋转时间为30s。
[0010]进一步地，所述步骤(3)中匀胶机的旋速为5000转/分钟，时间为20s，HTM的滴加量为半滴。
[0011]本发明的优点在于:
本发明将FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Ag结构的钙钛矿太阳能电池整体制备温度控制在不超过70°C，大幅度的降低了钙钛矿电池制备的温度；同时本发明通过将摩尔质量比为3:1的CH3NH31和PbCI2及体积比7:3的含量为38的％的丁内酯和二甲基亚砜的混合溶液与原子层沉积制备的ZnO层相接触，使得QfeNifePb 13材料在无需加热的条件下迅速结晶生成。
【附图说明】
[0012]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0013]图1是本发明低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
[0014]图2是常温下迅速生成的CH3NH3PbI3材料的X-射线衍射光谱图(XRD)。
【具体实施方式】
[0015]下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
[0016]本实施例低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法，该方法的具体步骤如下:
(1)选择衬底:选择方块电阻为10-15欧姆，透过率在80-85%的掺氟氧化锡玻璃作为衬底材料；
(2)制备ZnO致密层:将清洁干燥的掺氟氧化锡玻璃基底放到原子层沉积反应腔中，将反应腔加热到70°C后，分别以二乙基锌(DEZ，Zn(CH2CH3)2)和去离子水(H2O)作为锌和氧的前驱体，高纯氮气(N2 99.999%)作为载气和清洗气体，沉积ZnO致密层;每一个沉积循环包括四个步骤:通入DEZ反应物21ms，N2吹扫1.5s，通入H2O 10ms，N2吹扫1.5s ；沉积过程中，反应腔室温度控制在70°C，在此温度下，ZnO的沉积速率为0.091nm/cycle，重复上述过程100次，得到30nm厚的ZnO层；
(3)钙钛矿层的制备:
a.合成CH3NH3I:将盛有18ml甲胺的圆底烧瓶放置在O°C的冰水中，将20ml氢碘酸边滴加边搅拌进烧瓶中，滴加完成后继续冰水浴中搅拌2.5h，形成无色透明的CH3NH3I溶液;溶液用旋转蒸发器烘干，然后用乙醚洗涤干净，得到白色的CH3NH3I晶体;将定量的CH3NH3I晶体溶在浓度为10mg/ml的异丙醇中；
b.钙钛矿层制备:在充满氩气的手套箱中，将摩尔质量比为3:1的CH3NH3I和PbCI2及体积比为7:3的含量为38wt%的丁内酯和二甲基亚砜混合溶液通过两个连续不断的旋涂过程旋涂到ZnO致密层上;前期以1000r/min的转速旋转90s，后期以5000r/min的转速旋转30s，且在第二阶段过程中，将Iml的甲苯逐滴滴到基底上，随后放置1min;
(4)制备空穴传输层:在手套箱中，取2ml氯苯和0.2ml乙腈混合后，依次称量68mmol/L Spiro-OMeTAD(2，2’，7，7’_四[叱1二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’-螺二芴)、55 mmol/L叔丁基吡啶和9 mmol/L L1-TFSI (二(三氟甲基磺酰)锂)加到溶液中，摇晃溶解，配制Spiro-OMeTAD (HTM)溶液；
将配好的Spiro-OMeTAD HTM溶液旋涂到钙钛矿层，通过控制匀胶机的旋速为5000转/分钟，时间为20s及HTM的滴加半滴，将HTM层控制在10nm左右;然后70°C的环境中烘1min后，放在无水有氧的环境中过夜氧化；
(5)制备金属电极层:将过夜氧化后的基底，迅速放到真空镀膜仪中，腔室真空度达到10—4pa后，将电极加热电流调为50A，在上述样品上热蒸发沉积120nm厚的Ag层。
[0017]实施效果:最后进行电池的性能测试，在AMl.5，lOOmW/cm2标准光强的照射下，样品的开路电压为0.87V，短路电流为14mA，填充因子为0.58，效率为7.06%；因而，该制备方法显著提高电池的光电转换率和稳定性。
[0018]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.一种低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于:所述方法具体步骤如下: (1)制备致密层:在沉积了掺氟氧化锡玻璃衬底上，用原子层沉积技术在70°C下生长30nm厚的致密的ZnO层； (2)制备钙钛矿层:在充满氩气的手套箱中，将摩尔质量比为3:1的CH3NH3I和PbCI2及含量为38^%的丁内酯和二甲基亚砜的混合溶液通过两个连续不断的旋涂过程旋涂到ZnO致密层上;在第二阶段过程中，将Iml的甲苯逐滴滴到基底上，随后放置1min; (3)制备空穴传输层:将事先配好的Spiro-OMeTADHTM溶液旋涂到钙钛矿层，通过控制匀胶机的旋速与HTM的滴加量，将HTM层控制在10nm左右;然后70°C的环境中烘1min后，放在无水有氧的环境中过夜氧化； (4)制备金属电极层:将过夜氧化后的基底，迅速放到真空镀膜仪中，腔室真空度达到10—4pa后，将电极加热电流调为50A，在上述样品上热蒸发沉积120nm厚的Ag层。2.根据权利要求1的低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于:所述步骤(I)中掺氟氧化锡玻璃衬底采用的是方块电阻为10-15欧姆，透过率在80-85%的掺氟氧化锡玻璃。3.根据权利要求1的低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于:所述步骤(2)中含量为38wt%的丁内酯与二甲基亚砜的体积比为7:3。4.根据权利要求1的低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于:所述步骤(2)旋涂过程，前期旋涂速度为1000r/min，旋转时间为90s;后期旋涂速度为5000r/min，旋转时间为30s。5.根据权利要求1的低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于:所述步骤(3)中匀胶机的旋速为5000转/分钟，时间为20s，HTM的滴加量为半滴。
【专利摘要】本发明涉及一种低温制备有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的方法，所述方法具体步骤如下：（1）制备致密层；（2）制备钙钛矿层；（3）制备空穴传输层；（4）制备金属电极层。本发明的优点在于：本发明将FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Ag结构的钙钛矿太阳能电池整体制备温度控制在不超过70℃，大幅度的降低了钙钛矿电池制备的温度；同时本发明通过将摩尔质量比为3:1的CH3NH3I和PbCI2及体积比7:3的含量为38wt%的丁内酯和二甲基亚砜的混合溶液与原子层沉积制备的ZnO层相接触，使得CH3NH3PbI3材料在无需加热的条件下迅速结晶生成。
【IPC分类】H01L51/42, H01L51/48
【公开号】CN105609639
【申请号】CN201510976958
【发明人】董旭, 袁宁一, 丁建宁
【申请人】海安常州大学高新技术研发中心
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年12月23日