一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能电池，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、钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells，简称pscs)是利用钙钛矿型有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，由于其低成本而称为广泛研究的器件材料，且由于钙钛矿材料的半透明性与良好的柔韧性促使pscs的光电转换效率仅用10年时间从3.8％攀升至25.5％，其效率增长不仅快速且接近硅太阳能电池。除了高光电转换效率外，pscs同时具有低成本、溶液制程、长载子扩散距离与可调控能隙等优点被视为具有商业化的潜力。

2、钙钛矿太阳能电池的结构由钙钛矿薄膜、电子传输层、电解质层以及电极层组成；其中，钙钛矿薄膜是钙钛矿太阳能电池的关键部分，由钙钛矿晶体构成，具有具有优异的光电转换性能。目前制备钙钛矿薄膜的制备方法主要工艺方法为溶液法，但是通过溶液法制备钙钛矿薄膜的工艺依赖于大量的有机溶剂，并例如，氯苯(cb)、二甲基甲酰胺(dmf)以及二甲基亚砜(dmso)等，而有机溶剂对大气、树木等都存在较大的危害，有机溶剂的后处理也是工业化过程中的一个重大难题。因此取代铅离子与开发低危害溶剂制程是钙钛矿太阳能电池的发展重点，并亟需寻求一种减少依赖有机溶剂的钙钛矿薄膜的制备方法。同时，现有技术的钙钛矿太阳能电池存在由于钙钛矿薄膜的纯度不高导致光电转换效率低的问题，以及为了保证钙钛矿薄膜的纯度，需要通过较为繁琐的制备过程实现所存在的步骤繁琐的问题。

3、有鉴于此，有必要对现有技术中的钙钛矿薄膜的制备方法予以改进，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中钙钛矿薄膜的制备对大量有机溶剂的依赖，由于钙钛矿薄膜的纯度不高导致光电转换效率低的问题，以及钙钛矿薄膜的制备过程繁琐的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：

3、s1、于基板表面旋涂致密tio2前体溶液，退火处理后于基板表面形成致密tio2薄膜；

4、s2、于致密tio2薄膜表面旋涂介孔tio2前体溶液，退火处理后于致密tio2薄膜表面形成介孔tio2薄膜；

5、s3、于介孔tio2薄膜表面旋涂etl前体溶液，以形成pcbm薄膜；

6、s4、于pcbm薄膜表面覆盖第一金属掩膜，并将pbi2薄膜热蒸发沉积于覆盖有第一金属掩膜的pcbm薄膜表面，以形成蒸发pbi2薄膜，再将钙钛矿前体溶液旋涂于蒸发pbi2薄膜表面，退火处理并烘烤后形成钙钛矿薄膜；

7、s5、于钙钛矿薄膜表面旋涂htl前体溶液，以形成spiro-ometad薄膜；

8、s6、于spiro-ometad薄膜表面覆盖第二金属掩膜，并将金属靶材热蒸发沉积于覆盖有第二金属掩膜的spiro-ometad薄膜表面，以于spiro-ometad薄膜表面沉积电极。

9、作为本发明的进一步改进，在步骤s1之前，还包括：

10、选取一基板，通过超音波清洗技术与紫外线臭氧杀菌技术对基板进行清洗。

11、作为本发明的进一步改进，所述超音波清洗技术由超音波振动器予以实现，所述紫外线臭氧杀菌技术由紫外线臭氧灯予以实现，并具体为：

12、将选取的基板置于由丙酮、酒精以及ipa溶液均匀混合形成的混合溶液中，并通过超音波振动器与紫外线臭氧灯对基板进行清洗。

13、作为本发明的进一步改进，所述步骤s2中的介孔tio2前体溶液由多孔tio2前体溶液、tio2纳米颗粒以及无水乙醇均匀混合形成，且介孔tio2前体溶液、多孔tio2前体溶液、tio2纳米颗粒以及无水乙醇的重量比为1：4：1：9。

14、作为本发明的进一步改进，所述步骤s3中的etl前体溶液由10-20mg的pcbm溶液与0.2-20ml的氯苯溶剂均匀混合形成，且pcbm溶液质量浓度为1-4wt％。

15、作为本发明的进一步改进，所述步骤s4中热蒸发的蒸发速率为1.2-2.0nm/s；

16、在形成蒸发pbi2薄膜之后，还包括：

17、对蒸发pbi2薄膜进行冷却，并在90-150℃的温度条件下进行退火处理。

18、作为本发明的进一步改进，所述步骤s4中的钙钛矿前体溶液由45-55mg的甲基碘化铵(mai)与0.5-1.5ml的ipa溶剂均匀混合形成；

19、于90-150℃的温度条件下退火处理并烘烤后形成钙钛矿薄膜。

20、作为本发明的进一步改进，所述步骤s5中的htl前体溶液由40-50mg的cspbbr3粉末、0.5-0.9ml的氯苯、11.5-15.5μl的4-叔丁基吡啶以及5.9-50μl的双-(三氟甲磺酰基)-亚胺均匀混合形成。

21、作为本发明的进一步改进，所述步骤s6中的热蒸发沉积通过热蒸发设备予以实现，且热蒸发设备的真空度为4.8×10-6torr，蒸发速率为1.5-2.8nm/s，所述金属靶材选自银、铜、钨、锑、钼。

22、基于相同发明思想，本申请还揭示了一种钙钛矿太阳能电池，采用如上述任一项所述的制备方法制备得到，包括：

23、第一电极层，第二电极层，以及依次设置于第一电极层与第二电极层之间的致密tio2薄膜、介孔tio2薄膜、pcbm薄膜、钙钛矿薄膜及spiro-ometad薄膜

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

25、在制备钙钛矿薄膜时，于pcbm薄膜表面覆盖第一金属掩膜，并将pbi2薄膜热蒸发沉积于覆盖有第一金属掩膜的pcbm薄膜表面，以形成蒸发pbi2薄膜，再将钙钛矿前体溶液旋涂于蒸发pbi2薄膜表面，退火处理并烘烤后形成钙钛矿薄膜，退火处理的温度条件在90-150℃，以保证制备的钙钛矿薄膜致密且平坦，并由此保证钙钛矿晶面在退火处理后变现出很强的x射线衍射强度和四方晶体，且制备过程简便。

技术特征：

1.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，在步骤s1之前，还包括：

3.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述超音波清洗技术由超音波振动器予以实现，所述紫外线臭氧杀菌技术由紫外线臭氧灯予以实现，并具体为：

4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中的介孔tio2前体溶液由多孔tio2前体溶液、tio2纳米颗粒以及无水乙醇均匀混合形成，且介孔tio2前体溶液、多孔tio2前体溶液、tio2纳米颗粒以及无水乙醇的重量比为1：4：1：9。

5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中的etl前体溶液由10-20mg的pcbm溶液与0.2-20ml的氯苯溶剂均匀混合形成，且pcbm溶液质量浓度为1-4wt％。

6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中热蒸发的蒸发速率为1.2-2.0nm/s；

7.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中的钙钛矿前体溶液由45-55mg的甲基碘化铵(mai)与0.5-1.5ml的ipa溶剂均匀混合形成；

8.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中的htl前体溶液由40-50mg的cspbbr3粉末、0.5-0.9ml的氯苯、11.5-15.5μl的4-叔丁基吡啶以及5.9-50μl的双-(三氟甲磺酰基)-亚胺均匀混合形成。

9.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤s6中的热蒸发沉积通过热蒸发设备予以实现，且热蒸发设备的真空度为4.8×10-6torr，蒸发速率为1.5-2.8nm/s，所述金属靶材选自银、铜、钨、锑、钼。

10.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，采用如权利要求1至权利要求9中任一项所述的制备方法制备得到，包括：

技术总结
本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，制备方法包括S1、于基板表面形成致密TiO<subgt;2</subgt;薄膜；S2、于致密TiO<subgt;2</subgt;薄膜表面形成介孔TiO<subgt;2</subgt;薄膜；S3、于介孔TiO<subgt;2</subgt;薄膜表面形成PCBM薄膜；S4、于PCBM薄膜表面覆盖第一金属掩膜，并将PbI<subgt;2</subgt;薄膜热蒸发沉积于PCBM薄膜表面，形成蒸发PbI<subgt;2</subgt;薄膜，于蒸发PbI<subgt;2</subgt;薄膜表面形成钙钛矿薄膜；S5、于钙钛矿薄膜表面形成Spiro‑OMeTAD薄膜；S6、于Spiro‑OMeTAD薄膜表面沉积电极。通过本发明，减少了钙钛矿太阳能电池制备过程中钙钛矿薄膜的制备对有机溶剂依赖，简化了钙钛矿太阳能电池的制备过程，并保证了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

技术研发人员：许志宏,林文玮,赖政志,林锦辉,李奕攸
受保护的技术使用者：苏州芯默科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16