一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法

本发明涉及太阳能电池制备，尤其涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，有机-无机杂化钙钛矿材料因其具有带隙可调，长的载流子扩散长度，高的吸光系数以及低的离子结合能等优异的光电特性而引起了研究者的广泛关注。目前，单结的钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已从最初的3.8％上升到25.7％。然而，高效钙钛矿太阳能电池的长期稳定性以及可重复性依然是制约其进一步发展的关键问题。由于钙钛矿材料是离子型化合物，在快速结晶过程中会产生各种缺陷，这些缺陷会严重影响钙钛矿的光电转化效率和长期稳定性等光电特性。

2、因此，提供一种钙钛矿太阳能电池能提升光电转化效率和长期稳定性，是当务之急。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种钙钛矿太阳能电池，绝缘纳米颗粒可有效调控钙钛矿晶粒大小，填充晶界间空隙，改善钙钛矿埋底界面的形貌，得到平整而致密的埋底钙钛矿薄膜。同时可以有效抑制悬挂键等引起的界面非辐射复合与降解过程，进而提高了器件的开路电压和光电转化效率。

2、根据本发明的第一方面的实施例，提出了一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池的结构包括自下至上依次叠加设置的空穴传输层、第一钝化层、第二钝化层、钙钛矿层和第三钝化层；

3、所述第一钝化层的制备原料包括绝缘纳米颗粒；

4、所述缘纳米颗粒包括三氧化二铝、二氧化硅、一氧化硅和氧化锆中的至少一种；

5、所述第二钝化层和第三钝化层的制备原料包括铵盐；

6、所述胺盐包括苯乙基溴化铵、4-氟-苯乙基溴化铵、3-氟-苯乙基溴化铵、苯乙基碘化铵和4-氟-苯乙基碘化铵中的至少一种。

7、根据本发明第一方面的实施例至少具有以下有益效果：

8、第一钝化层含有的绝缘纳米颗粒，通过纳米颗粒修饰基底，可有效调控钙钛矿晶粒大小，填充晶界间空隙，改善钙钛矿埋底界面的形貌，得到平整而致密的埋底钙钛矿薄膜。同时可以有效抑制悬挂键等引起的界面非辐射复合与降解过程，从而提高了器件的开路电压和光电转化效率。同时，由于纳米颗粒可以嵌入到钙钛矿的埋底界面，抑制了埋底界面孔洞的产生，可以有效阻碍水分的渗透，从而提高钙钛矿太阳能电池的湿度稳定性。铵盐同时钝化钙钛矿薄膜的上下界面，改善了各层之间的能级匹配，进一步减少了能量的损失，提高了开路电压。本发明的钙钛矿太阳能电池的开路电压，短路电流和填充因子分别为1.14v，24.9ma/cm2，82％，对应的光电转换效率为23.1％。同时钙钛矿太阳能电池的湿度和长期稳定性被有效改善。在98±1％湿度环境中，老化5天，薄膜的颜色基本没有改变；在连续光照1200小时，钙钛矿太阳能电池依然可以保持超过96％的初始效率。

9、根据本发明的一些优选地实施例，所述缘纳米颗粒包括三氧化二铝和二氧化硅中的至少一种。

10、根据本发明的一些实施例，所述钙钛矿太阳能电池的结构包括自下至上依次叠加设置的基底、空穴传输层、第一钝化层、第二钝化层、钙钛矿层、第三钝化层、电子传输层和电极。

11、根据本发明的一些实施例，所述第一钝化层的厚度为30-80nm。

12、根据本发明的一些实施例，所述第二钝化层的厚度为0.5-5nm。

13、根据本发明的一些实施例，所述钙钛矿层的厚度为300-1000nm。

14、根据本发明的一些实施例，所述空穴传输层为自组装单分子层；

15、所述自组装单分子层的制备原料包括p型有机半导体分子或n型有机半导体分子；

16、所述有机半导体分子的结构为一端具有可以锚定在无机半导体氧化物表面的锚定官能团，另一端具有咔唑基团及其衍生物；

17、所述锚定基团包括硅烷基团、羧酸基团和磷酸基团中的至少一种。

18、根据本发明的一些实施例，所述有机半导体分子包括[2-(9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸(2pacz)和[2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸(meo-2pacz)中的至少一种。

19、有机半导体分子锚定在氧化物表面是指有机半导体分子利用其一端锚定官能团通过与氧化物表面发生一定的相互作用(包括但不限于形成共价键、配位键、氢键等)而结合到氧化物的表面。自组装单分子层(sams)作为空穴传输层，因其具有可大面积制备的优点，为制备高效率和稳定性的大面积钙钛矿太阳能电池和模组提供了新的可能性。

20、根据本发明的第二方面的实施例提出了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：在所述空穴传输层的一侧表面依次形成第一钝化层、第二钝化层、钙钛矿层和第三钝化层。

21、根据本发明的一些实施例，所述第三钝化层的制备方法包括将所述第三钝化层的制备原料涂覆至所述钙钛矿层；所述涂覆的方法包括旋涂。

22、根据本发明的一些实施例，所述旋涂的转速为3000-6000rpm。

23、根据本发明的一些实施例，所述的钙钛矿太阳能电池的结构包括：在所述基底的一侧表面依次形成空穴传输层、第一钝化层、第二钝化层、钙钛矿层、第三钝化层、电子传输层以及电极，得到钙钛矿太阳能电池。

24、根据本发明的一些优选地实施例，所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法包括：

25、s10.提供基底；所述基底包括ito玻璃基底；

26、具体来说，清洗ito玻璃基底，将ito玻璃基底用十二烷基苯磺酸钠、去离子水和异丙醇超声清洗各30min。清洗完成后，放置在热台上烘干。然后将玻璃基底放入紫外臭氧清洗机内臭氧处理30min。

27、s20.在所述基底的一侧表面依次形成空穴传输层、第一钝化层、第二钝化层、钙钛矿层、第三钝化层、电子传输层以及电极，得到钙钛矿太阳能电池；

28、具体来说，在ito玻璃基底制备空穴传输层，具体方法为：先将自组装单分子层(sams)溶于乙醇，配制成浓度为0.3-1.0mg/ml的溶液，置于震荡仪上震荡10min。然后以3000-6000rpm旋涂sams溶液，旋涂时间为30s。旋涂完成后，100-110℃退火处理10min，获得空穴传输层sams层。

29、第一钝化层修饰sams层：取10-40μl分散在异丙醇中的绝缘纳米颗粒分散液于400-1600μl的异丙醇中，置于震荡仪上震荡10min，过滤获得绝缘纳米颗粒分散液。将70μl绝缘纳米颗粒分散液以3000-5000rpm旋涂在空穴传输层sams层上，旋涂时间为30s。旋涂结束后，100-110℃退火处理10min，获得sams/第一钝化层薄膜。

30、称量1-2mg的铵盐溶于n,n-二甲基甲酰胺中，置于震荡仪上震荡10min。将70μl铵盐溶液以3000-6000rpm旋涂在sams/第一钝化层薄膜上，旋涂时间为30s。旋涂结束后，100-110℃退火处理10min，获得sams/第一钝化层/第二钝化层薄膜。

31、称量fai，pbi2和csbr溶于1ml dmso和dmf的混合溶液中并连续震荡过夜，获得溶液浓度为1.5mol/l的钙钛矿前驱体溶液。采用一步旋涂反溶剂法制备钙钛矿活性层。具体为：将40μl钙钛矿前驱体溶液以3000-5000rpm旋涂在sams/第一钝化层/

32、第二钝化层薄膜上，旋涂时间为55s。旋涂开始后，第10s滴加反溶剂乙酸乙酯。旋涂结束后，将钙钛矿薄膜置于100-110℃热台上，退火20-30min。退火结束后，得到钙钛矿薄膜。

33、称量1-2mg铵盐溶于异丙醇中，置于震荡仪上震荡，将70μl铵盐溶液以3000-6000rpm旋涂在钙钛矿薄膜上，旋涂时间为30s。旋涂结束后，100-110℃退火处理10min，获得第三钝化层修饰的钙钛矿薄膜。

34、在第三钝化层修饰的钙钛矿薄膜上旋涂电子传输层10-20mg/ml的pcbm溶液，旋转速度为3000-5000rpm，旋涂时间为30s。然后依次蒸镀10-30nm c60，6-10nm bcp和90-100nm银电极，获得钙钛矿太阳能电池。

35、下面通过具体的制备实施例，来对本发明所提供的钙钛矿太阳能电池及其制备方法做进一步的解释和说明。