一种高效率低成本钙钛矿型太阳能电池及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高效率低成本钙钛矿型太阳能电池，包括导电衬底、电子传输层、绝缘缓冲层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属电极，所述钙钛矿光吸收层采用气相辅助溶液法制备，所述空穴传输层为乙酰丙酮铜和Spiro?OMeTAD复合层。本发明还公开了该高效率低成本钙钛矿型太阳能电池的制备方法。本发明制备的钙钛矿型太阳能电池光电转换效率高，稳定性好，制备工艺简单，成本低。

说明书

技术领域：

本发明涉及太阳能电池领域，具体的涉及一种高效率低成本钙钛矿型太阳能电池。

背景技术：

钙钛矿太阳能电池是一种在染料敏化太阳能电池(DSSC)基础上发展起来的一种新型的太阳能电池。它最早是由日本科学家Kojima等于2009年提出的，其结构完全套用DSSC电池，只是常用的有机染料被CH₃NH₃PbI₃或CH₃NH₃PbBr₃替代，其一般光电转化效率超过3％。卤化甲胺铅(CH₃NH₃PbX₃)具有钙钛矿结构，因此这类太阳能电池被称为钙钛矿太阳能电池。卤化甲胺铅具有合适的禁带宽度(CH₃NH₃PbI₃禁带宽度为1.5eV，CH₃NH₃PbBr₃禁带宽度为2.3eV)和较高的光吸收系数，伴随着有机空穴半导体传输材料的引入，尤其是使用Spiro-OMeTAD代替传统的液态电解质，基于卤化甲胺铅材料的新型太阳能电池器件的光电转化效率得到了极大的提高，从而使这类太阳能电池表现出了非常诱人的应用前景，成为近年来众多研究者和太阳能电池业界关注的焦点。

但是Spiro-OMeTAD材料价格昂贵，稳定性不好，且利用传统方法制得的钙钛矿薄膜针孔多，粗糙度大，质量不好，严重影响了太阳能电池的光电转换效率，且钙钛矿光吸收层与电子传输层的界面也会发生电子和空穴复合，从而影响太阳能电池的光电性能。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高效率低成本钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池稳定性好，光电转换效率高，制备成本低。

本发明的另一个目的是提供该高效率低成本钙钛矿太阳能电池的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高效率低成本钙钛矿型太阳能电池，该钙钛矿型太阳能电池包括导电衬底、电子传输层、绝缘缓冲层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属电极，所述钙钛矿光吸收层采用气相辅助溶液法制备，所述空穴传输层为乙酰丙酮铜和Spiro-OMeTAD复合层。

作为上述技术方案的优选，所述电子传输层为多层结构，包括n型掺杂半导体氧化物层和n型本征半导体氧化物层，n型掺杂半导体氧化物层的厚度为10-30nm，n型本征半导体氧化物层的厚度为30-50nm。

作为上述技术方案的优选，所述n型本征半导体氧化物为氧化锌、氧化钛中的一种，所述掺杂元素为铝、锰、镁元素中的一种。

一种高效率低成本钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)将导电衬底依次用去离子水、丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声，最后用氮气吹干并经紫外臭氧处理15min，待用；

(2)将n型掺杂半导体氧化物的溶液以2000-4000转/分的转速旋涂到导电衬底上，70-75℃低温退火10-15min，然后将n型本征半导体氧化物的溶液以3000-5000转/分的转速旋涂到n型掺杂半导体氧化物层上，70-75℃退火15min，得到电子传输层；

(3)将Al₂O₃前驱体溶液滴加到电子传输层上，静置30-50s，然后在1000-3000转/分的状态下旋涂30s，在450-500℃下烧结50-100min，冷却至室温，得到绝缘缓冲层；

(4)将PbX₂前驱体溶液旋涂在绝缘缓冲层上，然后在80-100℃下加热15-30min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为150-170℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbX₂薄膜反应50-120min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在150-170℃下干燥15-30min，得到钙钛矿光吸收层；

(5)在钙钛矿光吸收层上旋涂乙酰丙酮前驱体溶液，在80-100℃下加热结晶20min，冷却至室温，再旋涂20μl的Spiro-OMeTAD，得到复合空穴传输层；

(6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为60-100nm的金属电极，得到高效率低成本钙钛矿型太阳能电池。

作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述PbX₂前驱体溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、γ-丁内酯、N,N-二甲基乙酰胺中的一种，所述PbX₂前驱体溶液中PbX₂的浓度为400-500mg/mL。

作为上述技术方案的优选，步骤(5)中，所述乙酰丙酮铜前驱体溶液的浓度为1.5-3mg/ml，其旋涂的转速为4500r/s，时间为30s。

作为上述技术方案的优选，步骤(5)中，所述Spiro-OMeTAD溶液旋涂的转速为4000r/s，时间为20s。

作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述Al₂O₃前驱体溶液的溶剂为乙醇、异丙醇中的一种或两种混合，其浓度为10-30mmol/L。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用n型掺杂半导体氧化物层和n型本征半导体氧化物层作为电子传输层，并采用气相溶液辅助法制备钙钛矿光吸收层，才光吸收层和电子传输层中间有氧化铝绝缘缓冲层，提高了钙钛矿光吸收层的质量，制得的钙钛矿太阳能电池光电转换率大大提高，稳定性好；

另一方面本发明采用无机材料和有机材料复合作为太阳能电池的空穴传输层，其空穴迁移率高，减小了光生载流子的复合，大大提高了太阳能电池的光电性能，且其价格便宜，大大提高了钙钛矿太阳能电池的生产成本。

具体实施方式：

为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。

实施例1

一种高效率低成本钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)将FTO衬底依次用去离子水、丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声，最后用氮气吹干并经紫外臭氧处理15min，待用；

(2)将铝掺氧化锌的溶液以2000转/分的转速旋涂到导电衬底上，70-75℃低温退火10min，然后将氧化锌的溶液以3000转/分的转速旋涂到铝镁掺氧化锌层上，70-75℃退火15min，得到电子传输层；

(3)将浓度为10mmol/L的Al₂O₃前驱体溶液滴加到电子传输层上，静置30s，然后在1000转/分的状态下旋涂30s，在450℃下烧结50min，冷却至室温，得到绝缘缓冲层；

(4)将浓度为400mg/mL的PbCl₂的N,N-二甲基甲酰胺溶液旋涂在绝缘缓冲层上，然后在80℃下加热15min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为150℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbCl₂薄膜反应50min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在150℃下干燥15min，得到钙钛矿光吸收层；

(5)在钙钛矿光吸收层上旋涂浓度为1.5mg/ml的乙酰丙酮前驱体溶液，旋涂的转速为4500r/s，时间为30s，然后在80℃下加热结晶20min，冷却至室温，再在4000r/s的转速下旋涂20μl的Spiro-OMeTAD，旋涂时间为20s，得到复合空穴传输层；

(6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为60nm的Au电极，得到高效率低成本钙钛矿型太阳能电池。

实施例2

一种高效率低成本钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)将FTO衬底依次用去离子水、丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声，最后用氮气吹干并经紫外臭氧处理15min，待用；

(2)将锰掺氧化锌的溶液以4000转/分的转速旋涂到导电衬底上，70-75℃低温退火15min，然后将氧化锌的溶液以5000转/分的转速旋涂到锰掺氧化锌层上，70-75℃退火15min，得到电子传输层；

(3)将浓度为30mmol/L的Al₂O₃前驱体溶液滴加到电子传输层上，静置50s，然后在3000转/分的状态下旋涂30s，在500℃下烧结100min，冷却至室温，得到绝缘缓冲层；

(4)将浓度为500mg/mL的PbCl₂的N,N-二甲基甲酰胺溶液旋涂在绝缘缓冲层上，然后在100℃下加热30min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为170℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbCl₂薄膜反应120min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在170℃下干燥30min，得到钙钛矿光吸收层；

(5)在钙钛矿光吸收层上旋涂浓度为3mg/ml的乙酰丙酮前驱体溶液，旋涂的转速为4500r/s，时间为30s，然后在100℃下加热结晶20min，冷却至室温，再在4000r/s的转速下旋涂20μl的Spiro-OMeTAD，旋涂时间为20s，得到复合空穴传输层；

(6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为100nm的Au电极，得到高效率低成本钙钛矿型太阳能电池。

实施例3

一种高效率低成本钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)将FTO衬底依次用去离子水、丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声，最后用氮气吹干并经紫外臭氧处理15min，待用；

(2)将铝镁掺氧化钛的溶液以2500转/分的转速旋涂到导电衬底上，70-75℃低温退火11min，然后将氧化钛的溶液以3500转/分的转速旋涂到铝掺氧化钛层上，70-75℃退火15min，得到电子传输层；

(3)将浓度为15mmol/L的Al₂O₃前驱体溶液滴加到电子传输层上，静置35s，然后在1500转/分的状态下旋涂30s，在455℃下烧结60min，冷却至室温，得到绝缘缓冲层；

(4)将浓度为420mg/mL的PbBr₂的N,N-二甲基甲酰胺溶液旋涂在绝缘缓冲层上，然后在85℃下加热20min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为150℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbBr₂薄膜反应60min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在150℃下干燥20min，得到钙钛矿光吸收层；

(5)在钙钛矿光吸收层上旋涂浓度为1.8mg/ml的乙酰丙酮前驱体溶液，旋涂的转速为4500r/s，时间为30s，然后在85℃下加热结晶20min，冷却至室温，再在4000r/s的转速下旋涂20μl的Spiro-OMeTAD，旋涂时间为20s，得到复合空穴传输层；

(6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为70nm的Au电极，得到高效率低成本钙钛矿型太阳能电池。

实施例4

一种高效率低成本钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)将FTO衬底依次用去离子水、丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声，最后用氮气吹干并经紫外臭氧处理15min，待用；

(2)将锰掺氧化钛的溶液以3000转/分的转速旋涂到导电衬底上，70-75℃低温退火12min，然后将氧化钛的溶液以4000转/分的转速旋涂到锰掺氧化钛层上，70-75℃退火15min，得到电子传输层；

(3)将浓度为18mmol/L的Al₂O₃前驱体溶液滴加到电子传输层上，静置40s，然后在2000转/分的状态下旋涂30s，在470℃下烧结70min，冷却至室温，得到绝缘缓冲层；

(4)将浓度为4400mg/mL的PbCl₂的二甲基亚砜溶液旋涂在绝缘缓冲层上，然后在90℃下加热25min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为160℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbCl₂薄膜反应90min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在160℃下干燥25min，得到钙钛矿光吸收层；

(5)在钙钛矿光吸收层上旋涂浓度为2mg/ml的乙酰丙酮前驱体溶液，旋涂的转速为4500r/s，时间为30s，然后在90℃下加热结晶20min，冷却至室温，再在4000r/s的转速下旋涂20μl的Spiro-OMeTAD，旋涂时间为20s，得到复合空穴传输层；

(6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为80nm的Ag电极，得到高效率低成本钙钛矿型太阳能电池。

实施例5

一种高效率低成本钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)将FTO衬底依次用去离子水、丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声，最后用氮气吹干并经紫外臭氧处理15min，待用；

(2)将镁掺氧化锌的溶液以3500转/分的转速旋涂到导电衬底上，70-75℃低温退火13min，然后将氧化锌的溶液以4000转/分的转速旋涂到镁掺氧化锌层上，70-75℃退火15min，得到电子传输层；

(3)将浓度为25mmol/L的Al₂O₃前驱体溶液滴加到电子传输层上，静置45s，然后在3000转/分的状态下旋涂30s，在480℃下烧结80min，冷却至室温，得到绝缘缓冲层；

(4)将浓度为460mg/mL的PbCl₂的γ-丁内酯溶液旋涂在绝缘缓冲层上，然后在95℃下加热30min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为165℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbCl₂薄膜反应100min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在165℃下干燥30min，得到钙钛矿光吸收层；

(5)在钙钛矿光吸收层上旋涂浓度为2.5mg/ml的乙酰丙酮前驱体溶液，旋涂的转速为4500r/s，时间为30s，然后在100℃下加热结晶20min，冷却至室温，再在4000r/s的转速下旋涂20μl的Spiro-OMeTAD，旋涂时间为20s，得到复合空穴传输层；

(6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为90nm的Ag电极，得到高效率低成本钙钛矿型太阳能电池。

实施例6

一种高效率低成本钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)将FTO衬底依次用去离子水、丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声，最后用氮气吹干并经紫外臭氧处理15min，待用；

(2)将镁掺氧化钛的溶液以3800转/分的转速旋涂到导电衬底上，70-75℃低温退火14min，然后将氧化钛的溶液以4800转/分的转速旋涂到镁掺氧化钛层上，70-75℃退火15min，得到电子传输层；

(3)将浓度为28mmol/L的Al₂O₃前驱体溶液滴加到电子传输层上，静置50s，然后在2800转/分的状态下旋涂30s，在490℃下烧结90min，冷却至室温，得到绝缘缓冲层；

(4)将浓度为480mg/mL的PbI₂的N,N-二甲基乙酰胺溶液旋涂在绝缘缓冲层上，然后在95℃下加热30min，自然冷却后与碘化物粉末一起置于真空干燥箱内，在压强为10-20KPa，温度为170℃下，加热碘化物粉末，蒸发后与PbI₂薄膜反应110min，生成钙钛矿，自然冷却后用异丙醇进行清洗，最后在170℃下干燥20min，得到钙钛矿光吸收层；

(5)在钙钛矿光吸收层上旋涂浓度为2.8mg/ml的乙酰丙酮前驱体溶液，旋涂的转速为4500r/s，时间为30s，然后在90℃下加热结晶20min，冷却至室温，再在4000r/s的转速下旋涂20μl的Spiro-OMeTAD，旋涂时间为20s，得到复合空穴传输层；

(6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为95nm的Ag电极，得到高效率低成本钙钛矿型太阳能电池。