一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钙钛矿太阳能电池材料与器件领域，具体涉及一种平面异质结钙钛矿 太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 近年来兴起的钙钛矿太阳能电池，由于其结构简单、效率高、成本低而成为太阳能 研究的热点。钙钛矿太阳能电池的发展十分迅速，在不到四年的时间里，电池效率由不到 5%提升到了 21%。Science周刊将"钙钛矿太阳能电池光电转换效率突破15%"评选为 2013年世界十大科技突破之一。
[0003] 钙钛矿太阳能电池具体来说是指具有ABO3结构的钙钛矿材料，如CH 3NH3PbX3 (X是 Cl、Br、I等卤素原子）。现在大部分钙钛矿太阳能电池以Ti02、Zn0作为电子收集和电子传 输层，需要经过高温烧结。高温烧结是一个高耗能的过程，不适用于大规模商业化生产。常 用的富勒烯衍生物PCBM是有机小分子，成膜性差，对钙钛矿覆盖不完全，导致器件性能不 佳。茈二酰亚胺类材料具有电子迀移率高、成膜性好等特点，是非常典型的η-型材料，在聚 合物太阳能电池和有机场效应晶体管中表现出优异的电子输运特性，将其与其他共辄单元 共聚，可以有效调节分子的HOMO和LUMO能级。
【发明内容】
[0004] 本发明采用不同共辄单元与茈二酰亚胺PDI单元共聚，得到了一系列具有优异电 子输运特性的η-型共辄聚合物材料，将其应用于钙钛矿太阳能电池中，可以在钙钛矿与茈 二酰亚胺共聚物间形成有效的异质结界面，实现电子的快速输运，从而提高电池的光电转 换效率和稳定性。整个器件制备过程都在150°C以下完成，相比于Ti02、ZnO等材料，大大降 低了生产成本。
[0005] 本发明提供一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法。具体技术方案如 下：
[0006] -种平面异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述平面异质结钙钛矿太阳能 电池包括电子传输层，所述电子传输层是由η-型共辄聚合物材料制备的。
[0007] 进一步地，所述平面异质结钙钛矿太阳能电池顺次包括衬底、透明导电金属氧化 物阳极层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和阴极层。
[0008] 进一步地，所述η-型共辄聚合物材料的结构为PX-PDI，结构式为
[0009]
[0010] 其中，R1为正辛基，R2为2-乙基己基；
[0011] 其是由X单元与茈二酰亚胺（roi)单元通过共聚得到的，所述X单元为1，2-亚乙 烯基（V)、噻吩（T)、二噻吩并吡咯（DTP)、芴（F)、二苯并噻咯（DBS)或咔唑（C)
[0012] 进一步地，所述电子传输层的厚度为5nm-15nm。
[0013] 上述平面异质结钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
[0014] a.制备透明导电金属氧化物阳极层：在玻璃或聚酯薄膜的衬底上溅射金属氧化 物，得到透明导电金属氧化物阳极层；
[0015] b.制备空穴传输层：将步骤a得到的透明导电金属氧化物阳极层经紫外一臭氧表 面处理后旋涂高功函的导电聚合物，或者金属氧化物，经热退火得到空穴传输层；
[0016] c.制备钙钛矿层：将铅源与碘化物溶于溶剂中，加热搅拌，得到钙钛矿前躯体溶 液，将该溶液旋涂于步骤b得到的空穴传输层上，经热退火得到钙钛矿层；
[0017] d.制备电子传输层：将PX-PDI茈二酰亚胺衍生物溶解于溶剂，得到PX-PDI溶液， 将所得溶液旋涂于步骤c得到的钙钛矿层上得到电子传输层；
[0018] e.制备阴极层：在步骤d得到的电子传输层上真空蒸镀金属电极，作为阴极层。
[0019] 进一步地，所述步骤b中的导电聚合物是PEDOT和PSS。
[0020] 进一步地，所述步骤d中的溶剂为氯苯和氯仿形成的混合溶剂。
[0021] 进一步地，所述混合溶剂中，氯苯和氯仿的体积比为1:1。
[0022] 进一步地，所述步骤d中PX-PDI溶液的浓度为6~10mg/ml。
[0023] 进一步地，所述步骤d中旋涂转速为800~1200rpm。
[0024] 本发明的有益效果为：
[0025] 在钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿材料吸收太阳光产生激子并分离出空穴和电子， 本发明将PX-PDI用于钙钛矿太阳能电池的电子传输层，收集和传输电子，显著提高了器件 性能。本发明电子传输层的制备工艺简单，无需高温过程，成本低廉，实验重复性好，适用于 大规模工业化生产。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明生成的钙钛矿膜的原子力显微镜形貌图。
[0027] 图2为本发明生成的钙钛矿膜扫描电子显微镜形貌图。
[0028] 图3为本发明方法得到的PV-PDI电子传输层原子力显微镜形貌图。
[0029] 图4为本发明方法得到的PV-PDI电子传输层扫描电子显微镜形貌图。
[0030] 图5为实施例1制备的钙钛矿太阳能电池的电流-电压特性曲线，所得器件结构 为 FT0/PED0T: PSS/CH3NH3PbI3/PC6(]BM/Al。
[0031] 图6为实施例2制备的钙钛矿太阳能电池的电流-电压特性曲线，所得器件结构 为 FT0/PED0T:PSS/CH3NH3PbI3/PV-PDI/Al。
[0032] 图7为实施例3制备的钙钛矿太阳能电池的电流-电压特性曲线，所得器件结构 为 FT0/PED0T:PSS/CH3NH3PbI3/PT-PDI/Al。
[0033] 图8为实施例4制备的钙钛矿太阳能电池的电流-电压特性曲线，所得器件结构 为 FT0/PED0T:PSS/CH3NH3PbI3/PDTP-PDI/Al。
[0034] 图9为实施例5制备的钙钛矿太阳能电池的电流-电压特性曲线，所得器件结构 为 FT0/PED0T:PSS/CH3NH3PbI3/PF-PDI/Al。
[0035] 图10为实施例6制备的钙钛矿太阳能电池的电流-电压特性曲线，所得器件结构 为 FT0/PED0T:PSS/CH3NH3PbI3/PDBS-PDI/Al。
[0036] 图11为实施例7制备的钙钛矿太阳能电池的电流-电压特性曲线，所得器件结构 为 FT0/PED0T:PSS/CH3NH3PbI3/PC-PDI/Al。
【具体实施方式】
[0037] 本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，下面结合附图和具体实施例 对本发明做进一步说明。
[0038] 实施例1(对比例）
[0039] 将溅射有掺杂氟SnO2(FTO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙 酮、异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，立即放入紫外臭氧表面处理设备（UVO)中处理15分 钟，然后在2000rpm转速下旋涂PEDOT和PSS溶液，在空气中150°C热退火15min后得到空 穴传输层3,其厚度大约为30nm。然后将PbIjP CH3NH3I按摩尔比1:1溶于DFM (N，N-甲基 甲酰胺）溶液中，溶液中PbIjP CH3NH3I的质量比为45wt%，70°C加热5小时，制得钙钛矿 前驱体溶液。将钙钛矿前驱体溶液在5000rpm的转速下旋涂于空穴传输层上，热退火15~ 20分钟，得到钙钛矿层，厚度为320nm~380nm。之后把浓度为20mg/ml的PC6qBM的氯苯溶 液在1000 rpm的转速下旋涂在上述|丐钛矿层上，得到厚度约为5nm~15nm的电子传输层。 最后在5x10 5Pa以下真空蒸镀厚度为50nm~60nm的Al做负极。所得器件结构为FTO/ PED0T:PSS/CH3NH3PbI3/PC6QBM/Al，在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为 0. 83v，短路电流为14. 71mA/cm2,填充因子为59. 62%，转换效率为7. 29%。图5给出了该 器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流一电压曲线。
[0040] 实施例 2 (PV-PDI)
[0041] 将溅射有掺杂氟SnO2(FTO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙 酮、异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，立即放入紫外臭氧表面处理设备（UVO)中处理15分 钟，然后在2000rpm转速下旋涂PEDOT和PSS溶液，在空气中150°C热退火15min后得到空 穴传输层3,其厚度大约为30nm。然后将PbIjP CH3NH3I按摩尔比1:1溶于DFM (N，N-甲基 甲酰胺）溶液中，溶液中PbIjP CH3NH3I的质量比为45wt %，70 °C加热5小时，制得钙钛矿前 驱体溶液。将钙钛矿前驱体溶液在5000rpm的转速下旋涂于空穴传输层上，热退火15~20 分钟，得到钙钛矿层，厚度为320nm~380nm。之后把浓度为6mg/ml的PV-PDI的溶液（溶 剂为氯苯与氯仿体积比为1:1的混合溶液）在800rpm的转速下旋涂在上述|丐钛矿层上，得 到厚度约为5nm的电子传输层。最后在5x10 5Pa以下真空蒸镀厚度为50nm~60nm的Al 做负极。所得器件结构为FT0/PED0T:PSS/CH3NH3PbI3/PV-PDI/Al，在100毫瓦每平方厘米的 模拟太阳光照射下开路电压为〇. 96v，短路电流为21. 32mA/cm2,填充因子为57. 10%，转换 效率为11. 69%。图6给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光 照射下的电流一电压曲线。
[0042] 实施例 3 (PT-PDI)
[0043] 将溅射有掺杂氟SnO2(FTO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙 酮、异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，立即放入紫外臭氧表面处理设备（UVO)中处理15分 钟，然后在2000rpm转速下旋涂PEDOT: PSS溶液，在空气中150°C热退火15min后得到空穴 传输层3,其厚度大约为30nm。然后将PbIjP CH3NH3I按摩尔比1:1溶于DFM (N，N-甲基甲 酰胺）溶液中，溶液中PbIjP CH3NH3I的质量比为45wt%，70