一种基于钙钛矿材料的太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0002] 本发明属于太阳能应用技术领域，特别涉及一种基于钙钛矿材料的太阳能电池及 其制备方法。
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【背景技术】
[0004] 基于钙钛矿材料的太阳能电池是一种使用诸如（CH3NH3PbX3- nYn)形式的化合物作 为吸光材料的太阳能电池，其中乂、￥=(：1』^1等。电池的基本结构如图1所示，从下往上依次 分为透明基底层、透明导电电极、空穴/电子传输层、钙钛矿层、电子/空穴传输层、金属电 极。其中研发重点关注的是钙钛矿层。
[0005] 现有的形成钙钛矿层的主要方法首先将无水碘化铅粉末(PbI2)直接溶解于N，N_ 二甲基甲酰胺(DMF)，加热溶液，此后将溶解好的溶液旋涂在玻璃基底表面，形成一层PbI 2 薄膜，加热这层薄膜使得溶剂完全挥发；然后将载有PbI2薄膜的玻璃基底在甲基碘化铵 (MAI)的异丙醇（IPA)溶液中浸泡30秒左右之后取出、旋转甩干、再滴一定量的异丙醇，甩 干;或者直接在PbI 2上面旋涂MAI溶液。此后，把薄膜连同玻璃基底转移到加热台上，70~100 摄氏度加热10~120分钟。在这个过程中MAI将与PbI 2反应，转化成大小不一的（CH3NH3)PbI3 晶体。由于PbI2厚度较厚（一般大于200纳米），不易于MAI完全反应，反应不完全，因此当形 成了（CH 3NH3)PbI3晶体后，仍旧会有少量的PbI2杂质残留在薄膜中，影响薄膜性质稳定，降 低了太阳能吸收效率。此外，还影响了薄膜的平整度，造成薄膜的厚度不一，平整度差。
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【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于钙钛矿材料的太阳能电池及其制 备方法，公开了一种钙钛矿层材料的合成技术，降低了 CH3NH3PbX3-Jn晶体转化条件，减少 PbX2杂质残留，提高薄膜的平整度，从而极大地提高钙钛矿层薄膜的光能吸收效率。
[0008] 本发明是这样实现的，提供一种基于钙钛矿材料的太阳能电池，由表层向里层依 次包括透明基底层、透明导电电极、空穴传输层或电子传输层、钙钛矿层、电子传输层或空 穴传输层以及金属导电层，钙钛矿层包括卤化铅络合物，卤化铅络合物的化学通式为:PbX 2 (U)，其中，X为CUI以及Br三种元素中的任意一种，U为二甲基亚矾(简称DMS0)、N，N-二甲 基甲酰胺(简称DMiO以及甲胺(简称MA)三种化合物中的任意一种； 卤化铅络合物是将无水卤化铅粉末(化学通式PbX2，X是Cl、I、Br三种元素中的任意一 种）与二甲基亚矾溶剂、或N，N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液相混合，使得 PbX2粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂、或N，N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液 中，再加入氯苯溶剂搅拌混合后静置，并经过过滤后得到的析出物。
[0009] 进一步地，透明基底层的材料包括但不限于玻璃基底和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)基底中的至少一种。
[0010] 进一步地，透明导电电极沉积在透明基底层上，透明导电电极的材料包括但不限 于掺铟氧化锡（ITO)、掺氟氧化锡(FTO)和石墨烯中的至少一种。
[0011] 进一步地，空穴传输层或电子传输层沉积在透明导电电极上，空穴传输层或电子 传输层的材料包括但不限于石墨烯、PED0T:PSS、PTAA、CuSCN、CuI、Mo0x、V205、Ni0、spiro-0MeTAD、PEIE、PEI、Zn0、Ti0 2、PCBM中的至少一种；其沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电 子束蒸发法、磁控溅射法、原子层沉积法、光刻法、化学气相沉积法、丝网印刷法、水热法、电 化学沉积法、旋涂（spin-coating)、刀片刮涂(blade-coating)、棒式涂布(bar coating)、 夹缝式挤压型涂布（slot-die coating)、喷涂（spray coating)、喷墨印刷（ink-jet printing)中的至少一种。
[0012] 进一步地，钙钛矿层沉积在空穴传输层或电子传输层上形成半导体吸光层。
[0013] 进一步地，电子传输层或空穴传输层沉积在钙钛矿层上，电子传输层或空穴传输 层的材料包括但不限于石墨烯、PED0T:PSS、PTAA、CuSCN、CuI、Mo0x、V205、Ni0、spiro-0MeTAD、PEIE、PEI、Zn0、Ti0 2、PCBM中的至少一种；其沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电 子束蒸发法、磁控溅射法、原子层沉积法、光刻法、化学气相沉积法、丝网印刷法、水热法、电 化学沉积法、旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夹缝式挤压型涂布、喷涂、喷墨印刷中的至少一种。
[0014] 进一步地，金属导电层沉积在电子传输层或空穴传输层形成金属电极。
[0015] 本发明还公开了一种制备上述基于钙钛矿材料的太阳能电池的方法，包括在空穴 传输层或电子传输层上沉积钙钛矿层的方法，整个沉积过程在纯氮气环境中进行，环境气 压为1~2大气压，环境温度为20~30摄氏度，所述沉积方法包括以下步骤： 第一步，将所述卤化铅络合物溶解于N，N-二甲基甲酰胺溶剂，搅拌5~10分钟，得到溶液 B，溶液B的浓度为0.5~1.5摩尔/升； 第二步，将甲基碘化铵按照30~60mg/mL的质量/体积比例溶解于异丙醇溶剂中（简称 IPA)形成溶液C; 第三步，将溶液B加热到60~80摄氏度并保持不断搅拌； 第四步，取适量加热到60~80摄氏度的溶液B，迅速均匀涂抹在空穴传输层或电子传输 层的表面，涂抹的方式包括但不限于旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夹缝式挤压型涂布、喷涂、 喷墨印刷； 第五步，在涂抹溶液B形成的薄膜上再涂抹溶液C; 第六步，然后，将涂抹了溶液B和C的薄膜在70~100摄氏度下加热10~120分钟，形成钙钛 矿层，即半导体吸光层。
[0016] 进一步地，卤化铅络合物为碘化铅络合物。
[0017]进一步地，在第四步骤中，溶液B中的溶剂挥发后形成的薄膜厚度为300~1000纳 米，在空穴传输层或电子传输层的表面涂抹溶液B后的静置条件是:室温~100摄氏度，30~90 秒，溶液B内的溶剂基本挥发;在第五步骤中，涂抹溶液C后的静置条件是:放置20~60秒，溶 液C内的溶剂基本挥发。
[0018]与现有技术相比，本发明的基于钙钛矿材料的太阳能电池及其制备方法，具有以 下特点： 1、在钙钛矿层，由卤化铅络合物形成的薄膜可以直接与MAI反应，不需要进行加热处 理，常温下就可以生成钙钛矿薄膜，节能、简化流程； 2、 卤化铅完全转化成卤化铅络合物，节约原材料； 3、 向CH3NH3PbX3-nYn化合物转化的窗口条件(包括退火温度，退火时间以及MAI浓度等） 更宽，可以在40~100摄氏度，10分钟~20个小时，MAI浓度40~50mg mL-1的窗口范围内选择，性 能波动小，且均能保持高效率;相比【背景技术】里薄膜处理的条件苛刻、窗口小的问题，适应 性更强； 4、 利用卤化铅络合物制成的太阳能电池效率更高，稳定性更好。
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【附图说明】
[0020] 图1为现有技术中钙钛矿层太阳能电池的内部结构示意图； 图2为经本发明的卤化铅络合物（即Pb 12 (DMSO)或Pb 12 (DMF))转化得到的CH3NH3Pb 13薄 膜和经传统的PbI2单体转化得到的CH3NH3PbI3薄膜，再经历五种不同的退伙条件后最终得 到的薄膜进行XRD测试的结果比较示意图； 图3为经本发明的卤化铅络合物（即PbI2(DMSO)或PbI2(DMF))转化得到的CH 3NH3PbI3薄 膜和经传统的PbI2单体转化得到的CH3NH3PbI3薄膜进行瞬时光致发光测量得到的光致发光 响应曲线示意图； 图4为图2的薄膜进行稳态光致发光测量得到的薄膜发光强度曲线示意图； 图5为经本发明的卤化铅络合物（即PbI2(DMSO)或PbI2(DMF))转化得到的CH 3NH3PbI3薄 膜和经传统的Pb 12单体转化得到的CH3NH3Pb 13薄膜的表面SEM图像