一种包含钙钛矿材料的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领域，特别是一种包含钙钛矿材料的太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]人类利用太阳能有多种方式，例如利用其热效应、光效应等。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，又称为光伏电池。目前商用太阳能电池市场上占主导地位的硅太阳能电池，即以晶体硅作为光电转化的材料。钙钛矿太阳能电池是目前较为新颖的一类太阳能电池，主要是利用类似ABX (A=CHNH +等；B=Pb2+，Sn2+等；X=C1-，Br-，1-等)具有钙钛矿结构的光伏材料来实现光电转换。近年来，人们研究发现，这类电池光电转化效率高，成本低。有希望成为低成本的下一代商用太阳能电池。
[0003]中国发明专利CN 104701023 A公开了一种钙钛矿太阳能电池的碳电极材料及其制备方法，采用喷雾涂膜法在透明导电基底上制备致密二氧化钛薄膜电子传输层，接着在致密二氧化钛薄膜上制备钙钛矿结构的有机金属卤化物作为光吸收层，然后通过喷雾涂膜法在钙钛矿薄膜光吸收层上制备空穴传输层/碳电极层，得到的碳薄膜即为钙钛矿太阳能电池的碳电极层。该发明采用碳材料替代昂贵的贵金属作为空穴传输电极材料，降低成本。采用简单、快速、可规模化生产的喷雾涂膜法进一步节约了成本，并解决了钙钛矿太阳能电池电极成本高、真空蒸镀制备金属电极方法难以实现规模化生产的问题，适用于低温制备大面积钙钛矿太阳能电池的电极材料。该发明的电池的转化效率低于7%。
[0004]中国发明专利CN 104091889 B公开了一种半导体钙钛矿太阳能电池及其制备方法，本发明属于太阳能电池领域，解决现有钙钛矿太阳能电池材料昂贵、工艺复杂的问题，同时保持较高的光电转换效率。本发明的一种半导体钙钛矿太阳能电池，自下而上依次包括基底、导电层、空穴阻挡层、介孔电子收集层、介孔空穴收集层、介孔背电极层，其制备方法包括制备电极区、制备空穴阻挡层、制备介孔电子收集层、制备介孔空穴收集层、制备介孔背电极层和充斥钙钛矿吸光材料步骤；本发明的另一种半导体钙钛矿太阳能电池，增加了介孔绝缘层，其制备方法相应增加制备介孔绝缘层步骤。本发明解决了现有钙钛矿太阳能电池的材料昂贵、工艺复杂的问题；在电池的开路电压、短路电流和填充因子几方面都有提高。光电转换效率可以达到11.3%。
[0005]中国发明专利CN 104576932 A公开了一种双层纳米介孔电子传输层的I丐钛矿光伏电池及其制备方法。该电池由导电衬底、双层结构的电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极组成。采用一步法低温生长的Sn02作为电子传输层，取代了两步法高温烧结的Ti02电子传输层，极大简化了制备流程。这种一步法低温制备的介孔钙钛矿光伏电池在取得13.82%的高光电转换效率，同时有效的降低了制作成本、提高了电池的性能与稳定性。不过，其转化效率仍然低于15%。
[0006]上述发明逐步将钙钛矿太阳能电池向产业化不断推进，不过，钙钛矿的产业化取决于两个条件，一是制造成本低，而是其转化效率要高，而目前其效率都还在15%以下。寻找更高效率的太阳能电池结构是人们工作的焦点。
【发明内容】
[0007]发明目的:为了充分利用钙钛矿材料的性质，制备可用于生产的钙钛矿太阳能电池，本发明提供了一种包含钙钛矿材料的太阳能电池及其制备方法。采用本发明的电池材料及其结构，能够大幅提尚太阳能电池对光子的吸收及其转化效率，从而提尚太阳能电池的光电转化效率，改善器件性能。
[0008]本发明的技术方案如下:
1)采用透光率在90%以上的玻璃作为透光层；
2)采用导电玻璃作为透明电极层；
3)制备过渡层:采用喷涂热分解技术在导电玻璃表面制备镍的氧化物层。厚度控制在5_50nm范围内；
4)制备得到电子传输层:接着旋涂已酸丙酮镍、醋酸锂、乙酸镁四水合物的混合物，烘干(300°C — 400°C)，制备得到电子传输层，厚度控制在10-100nm之间；
5)制备吸光层:
a.配制PbI2溶液，PbI2的浓度为0.5-3.0Mol/L，溶剂为二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:浓度10mg/mL，溶剂为异丙醇；
采用溶液法原位合成钙钛矿材料:先在电子传输层上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生长出钙钛矿材料，得到钙钛矿吸光层。通过控制PbI2与CH3NH3I反应溶液的浓度，控制钙钛矿的形貌与厚度，厚度控制在50-500nm之间；
6)制备电子吸收层:
采用富勒烯衍生物的氯苯溶液旋涂于吸光层，烘干，得到电子吸收层，控制溶液的浓度与涂布厚度，使电子吸收层的厚度在30-150nm之间；
7)制备空穴传输层:
将异丙氧基钛(或双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯前驱体溶液)与乙醇铌的混合，搅拌均匀，旋涂于电子吸收层上；
8)顶电极的制备:
采用真空热蒸镀、喷涂、沉积等方法，在器件上表面蒸镀50-300nm的导电金属层或碳层。
[0009]本发明的钙钛矿太阳能电池透明电极层的材料为透明且能导电的材料组成，包括但不限于铟锡氧化物(ΙΤ0，Indium Tin Oxides)、氟锡氧化物(FT0，fluorine doped tinoxide)、招锌氧化物(ΑΖ0，aluminium-doped zinc oxide)等常用的透明电极材料。过渡层为Ni的氧化物，包含但不限于N1、Ni02。电子传输层为四元氧化物，由N1、Mg、L1、0四种元素构成，且Li / Mg的摩尔比介于1:10与1:3之间。吸光层为具有钙钛矿结构的材料，所采用的钙钛矿结构光伏材料为ABX3型晶体结构的有机无机杂化钙钛矿。其中，B为铅、锡、锑，X为卤素元素。电子吸收层为富勒烯的衍生物，包含但不限于PCBM、PC71BM。空穴传输层由三元氧化物构成，包含T1、Nb、0三种元素，且Nb / Ti的摩尔比介于1:30与1:10之间。顶电极为金属电极或导电碳材料电极，如银、金、铜、石墨、石墨稀等等。
[0010]有益的效果:
采用本发明的材料与结构，能够充分利用钙钛矿材料的性能，并挖掘其潜能，形成P -1 - N异质结，充分吸收太阳光能并提高其转化率，其转化效率最高可达20%以上。本发明采用了纳米级含镍过渡层，不仅能够提升P — I 一 N异质结扑获吸收光子的能力，而且大大提升了该电池的时间稳定性。本发明主要采用工业上成熟的涂布法，适合产业化生产大尺寸、低成本、尚效率的太阳能电池的生广。然而，现有的含有I丐钦矿材料的太阳能电池尚未得到大面积可用于生产的样品，本发明解决了这一问题，所发明的技术适合于制备大面积、高效率的太阳能电池，其成本只有传统硅太阳能电池的三分之一。
[0011]【具体实施方式】:
下面通过结合附图1与实施例详细描述本发明的器件及其制备方法，但不构成对本发明的限制。
[0012]【附图说明】:
图1为本发明的结构示意图。图中1为透光层、2透明电极层、3为过渡层、4为电子传输层、5为吸光层、6为电子吸收层、7为空穴传输层和8为顶电极。
[0013]实施例1
1)采用低铁玻璃作为透光层；
2)采用ITO(Indium Tin Oxides)导电玻璃作为透明电极层；
3)采用喷涂热分解技术在导电玻璃表面制备Ni02层，厚度8nm;
4)按照摩尔比2:1:6的比例配置已酸丙酮镍、醋酸锂、乙酸镁四水合物的混合溶液，旋涂于过渡层上，于350°C烘干，制备得到电子传输层；厚度15nm ;
5)制备吸光层:
a.配制PbI2溶液，浓度为1.5Mol/L，溶剂为二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:浓度8.5mg/mL，溶剂为异丙醇；
采用溶液法原位合成钙钛矿材料:先在电子传输层上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生长出钙钛矿材料，得到钙钛矿吸光层。厚度410nm;
6)制备电子吸收层
采用PCBM的氯苯溶液旋涂于吸光层，烘干，得到厚度83nm得电子吸收层；
7)制备空穴传输层:
将异丙氧基钛与乙醇铌按25:1的比例的混合，搅拌均匀，旋涂于电子吸收层上，得到空穴传输层；
8)顶电极的制备:
采用真空热蒸镀的方法在空穴传输层上蒸镀50nm的银层。
[0014]进行电池性能测试，实验过程中采用在100mW/cm2太阳能模拟器(Newport)AM1.5G光照下进行，测得光电转化率卫19.8%。
[0015]实施例2
1)采用低铁玻璃作为透光层；
2)采用铝锌氧化物ΑΖ0导电玻璃作为透明电极层；
3)采用喷涂热分解技术在导电玻璃表面制备Ni02层。厚度50nm;
4)按照摩尔比1:1:3的比例配置已酸丙酮镍、醋酸锂、乙酸镁四水合物的混合溶液，旋涂于过渡层上，于40(TC烘干，制备得到电子传输层；厚度60nm ;
5)制备吸光层:
a.配制PbI2溶液，浓度为0.5Mol/L，溶剂为二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:浓度10mg/mL，溶剂为异丙醇；
采用溶液法原位合成钙钛矿材料:先在电子传输层上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生长出钙钛矿材料，得到钙钛矿吸光层，厚度